Множественное расширение пара. Компаунд-машины

 

В процессе расширения пара в цилиндре машины высокого давления давление пара падает пропорционально его расширению. Для реализации полного расширения пара высокого давления требуются недопустимо большие размеры рабочего цилиндра (особенно его длины). В случае недорасширения пара не вся энергия давления переводится в работу, что приводит к снижению эффективности машины.

Один из методов использования большого перепада давления был предложен в 1804 году английским инженером Артуром Вульфом, который запатентовал компаундную паровую машину высокого давления Вульфа (схема машины Вульфа на рис. 1.5, общий вид – на рис. 1.5а). В этой машине высокотемпературный пар из парового котла высокого давления поступал в цилиндр 1, а затем отработанный в нём пар с более низким давлением поступал в цилиндр (или цилиндры) низкого давления 2. Поршни обоих цилиндров расположены на общем коленчатом валу 3, на котором также находятся маховое колесо 4 и муфта 5 для привода потребителя (на схеме 1.5а это динамо-машина).

Применение последовательного расширения пара высокого давления в нескольких цилиндрах уменьшало перепад давления в каждом их них, что в целом снижало потери энергии давления и улучшало общий коэффициент полезного действия паровой машины. Пар низкого давления имел больший объём, и поэтому требовал большего объёма цилиндра. Поэтому в компаундных машинах цилиндры низкого давления имели больший диаметр (а иногда и большую длину) чем цилиндры высокого давления.

Такая схема также известна под названием «двойное расширение», поскольку расширение пара происходит в две стадии. Иногда один цилиндр высокого давления был связан с двумя цилиндрами низкого давления, что давало три приблизительно одинаковых по размеру цилиндра. Такую схему было легче сбалансировать.

После 1880-х годов компаундные паровые машины получили широкое распространение на производстве и транспорте и стали практически единственным типом, используемым на пароходах. Использование их на паровозах не получило такого широкого распространения, поскольку они оказались слишком сложными, частично из-за того, что сложными были условия работы паровых машин на железнодорожном транспорте. Несмотря на то, что компаундные паровозы так и не стали массовым явлением (особенно в Великобритании, где они были очень мало распространены и вообще не использовались после 1930-х годов), они получили определённую популярность в нескольких странах.

Логичным развитием схемы компаунда стало добавление в неё дополнительных стадий расширения, что увеличивало эффективность работы. Результатом стала схема множественного расширения, известная как машины тройного или даже четырёхкратного расширения. Такие паровые машины использовали серии цилиндров двойного действия, объём которых увеличивался с каждой стадией. Иногда вместо увеличения объёма цилиндров низкого давления использовалось увеличение их количества, так же, как и на некоторых компаундных машинах.

Появление этого типа паровых машин стало особенно актуальным для флота, поскольку требования к размеру и весу для судовых машин были не очень жёсткими, а главное, такая схема позволяла легко использовать конденсатор, возвращающий отработанный пар в виде пресной воды обратно в котёл (использовать солёную морскую воду для питания котлов было невозможно). Наземные паровые машины обычно не испытывали проблем с питанием водой и потому могли выбрасывать отработанный пар в атмосферу. Поэтому такая схема для них была менее актуальной, особенно с учётом её сложности, размера и веса. Доминирование паровых машин множественного расширения закончилось только с появлением и широким распространением паровых турбин. Однако в современных паровых турбинах используется тот же принцип разделения потока на секции высокого, среднего и низкого давления.

В прошлом паровые машины были, по существу, единственным первичным двигателем (если не считать водяного колеса). Основы конструкции поршневой паровой машины, изобретённой в конце XVIII века, в основном сохранились до середины ХХ века. В своё время паровая машина дала технике, до того почти не знавшей машин-двигателей, новое мощное средство развития – пароходы и паровозы (рис. 1.6). Тем не менее, она к концу XX века была полностью вытеснена другими типами двигателей, прежде всего турбинами (паровыми и газовыми) и двигателями внутреннего сгорания, обладавшими большей компактностью, эффективностью и универсальностью применения.