Паровые машины высокого давления

Машина Дж. Уатта. В 1774 году появилась версия паровой машины, созданная Уаттом в сотрудничестве с Мэттью Боултоном, давшая новый импульс в развитие паровых машин. Анализируя работу машины Ньюкомена, Д. Уатт сделал два важнейших для развития паровых машин усовершенствования (рис. 1.3).

Во-первых, пар П после совершения работы по поднятию поршня в рабочем цилиндре, поступая в него из котла через трубу с клапаном D, конденсируется не в цилиндре, а в специальном устройстве – конденсаторе К, поступая в него при обратном, холостом ходе поршня при открытом клапане С. После конденсатора вода подаётся снова в паровой котёл, совершая тем самым замкнутый оборот.

Во-вторых, рабочий цилиндр не охлаждается, а теплоизолируется специальной тепловой рубашкой, в которую подаётся часть отработанного пара. Тем самым цилиндр находится всё время в нагретом состоянии. Эти усовершенствования существенно повысили эффективность паровой машины, так как снизились потери теплоты, что и отразилось снижением расхода топлива.

В-третьих, машина Уатта, по сути, перестала быть «атмосферной», и её мощность теперь зависела от разницы давлений, действующих на поршень – давления свежего пара, подаваемого из котла, и отработанного пара, выпускаемого из цилиндра.

Насосная паровая машина Уатта оказалась такой удачной, что если в 1778 г. на Корнуэльском руднике было 70 машин Ньюкомена, то к 1790 г. все они, кроме одной, были заменены машинами Уатта (патент 1769 г.)

Область применения паровых машин с развитием производства расширялась, большие заказы поступали со стороны развивающейся металлообрабатывающей и текстильной промышленности, требовались универсальные двигатели для привода вращающихся станков. На все эти вызовы Дж. Уатт отвечал усовершенствованиями своей машины. Он разработал и создал для производства паровую машину с цилиндрами двойного действия, разработал и внедрил вместо многочисленных клапанов так называемый золотник с центробежным регулятором подачи пара в рабочий цилиндр (патент на универсальный паровой двигатель в 1781 г.). В двигателе Уатт применил вместо коромысла давно известный кривошипно-шатунный механизм.

Дальнейшим повышением эффективности машин было применение пара высокого давления (по сравнению с освоенными параметрами). Здесь следует отметить труды механиков американца Оливера Эванса и англичанина Ричарда Тревитика. Тревитик успешно построил промышленные паровые двигатели высокого давления, известные как “корнуэльские двигатели”, они работали с давлением до 3,4 атмосферы. Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление.

Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования. Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавэр между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7—8 узлов. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Р. Тревитиком.

Дж. Уатт большое внимание уделял исследованиям свойств воды и водяного пара. Изучив на опыте процесс образования пара, он определил зависимость между давлением и температурой насыщенного водяного пара и повышение его работоспособности в зависимости от исходного давления в цилиндре. Давление пара в котле его машины достигало 10 ата – неслыханная по тем временам величина давления, требовавшая производство котлов повышенной прочности. Но все затраты окупались, так как производительность и мощность двигателя Уатта при этом существенно увеличивались.

В паровых машинах высокого давления пар поступает из котла в рабочую камеру цилиндра, где расширяется, оказывая давление на поршень и совершая полезную работу. После этого расширенный пар может выпускаться в атмосферу или поступать в конденсатор. Важное отличие машин высокого давления от вакуумных состоит в том, что давление отработанного пара в них превышает атмосферное или равно ему, то есть вакуум под поршнем не создаётся. Отработанный пар обычно имел давление выше атмосферного и часто выбрасывался в дымовую трубу, что позволяло увеличить тягу котла.

Важность увеличения давления пара состоит в том, что при этом он приобретает более высокую температуру. Таким образом, паровая машина высокого давления работает при большей разнице температуры, чем та, которую можно достичь в вакуумных машинах. После того, как машины высокого давления заменили вакуумные, они стали основой для дальнейшего развития и совершенствования всех поршневых паровых машин. Однако то давление, которое считалось в 1800 году высоким (до 3,5 ата) сейчас рассматривается как очень низкое — давление в современных паровых котлах в десятки раз выше.

Дополнительное преимущество машин высокого давления состоит в том, что они намного меньше при заданном уровне мощности, и соответственно, существенно менее дорогие. Кроме того, такая паровая машина может быть достаточно лёгкой и компактной, чтобы использоваться на транспортных средствах. Возникший в результате паровой транспорт (паровозы, пароходы) революционизировал коммерческие и пассажирские перевозки, военную стратегию, и вообще затронул практически каждый аспект общественной жизни.