Сидней Уитингтон - История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

Существует четыре основных типа силовых установок на морских судах: 1) поршневые паровые двигатели, напрямую связанные с гребными валами; 2) паровые турбины, действующие напрямую или через передаточные механизмы; 3) дизельные двигатели, связанные напрямую или через передаточные механизмы с гребными валами; 4) паровые турбины или дизели, приводящие в действие электрогенераторы, которые обеспечивают мощностью моторы, вращающие валы. Ранние пароходы, описанные в главе 9, имели поршневые двигатели, как и все коммерческие пароходы XIX века. Поршневой паровой двигатель был весьма популярен. Только сравнительно недавно комбинированный тоннаж с турбинами и дизелями превысил тоннаж с поршневыми паровыми двигателями.

Инновацией в судовых силовых установках, решившей судьбу парусов, стал конденсаторный компаундный двигатель. Такие машины были испытаны на суше еще в 1781 году. В первой половине XIX века инженеры усовершенствовали проект, добившись более высоких давлений и производительности. Но только предрассудки против высоких давлений остались и помешали раннему широкому распространению компаундных двигателей. Джон Элдер из Глазго впервые установил компаундный двигатель на судне Brandon, спущенном на воду в 1854 году. Давление в судовом котле было слишком низким, чтобы обеспечить достижение максимальной производительности, которая может быть достигнута компаундным двигателем. Тем не менее потребление топлива компаундным двигателем было на треть меньше, чем простым одноцилиндровым двигателем того периода. В 1857 году фирма Элдера спустила на воду 523-тонный Thetis с гребным винтом и компаундным двигателем, работавшим на пару давлением 115 фунтов. Усовершенствованная конструкция котла в 1850-х годах позволила повысить эффективность паровой установки. Пароходы использовали морскую воду для питания бойлера, даже несмотря на то, что отложения соли в котле после испарения делали давления, превышающие 25 фунтов, опасными. Ни одно судно не могло погрузить количество пресной воды, достаточное для питания котла даже в самом коротком рейсе, если только отработанный пар не будет конденсироваться и использоваться еще раз в качестве питательной воды. Поэтому поверхностный конденсатор – изобретение Уатта – был установлен в 1860 году на судне Mooltam с компаундными двигателями. Поверхностный конденсатор оказался достаточно эффективным, чтобы позволить судну повторно использовать питательную воду для бойлера – с небольшими добавками – даже в длительном рейсе. Ajax был первым лайнером Холта, оборудованным двухцилиндровым компаундным двигателем и поверхностным конденсатором. В 1865 году он проплыл 8500 миль от Ливерпуля до Маврикия в Индийском океане. Потребление угля составило 2,2 фунта на индикаторную лошадиную силу в час. Аналогичный показатель на судне Britannia в 1840 году составил 4,7 фунта. Лайнеры Холта стали первыми пароходами, эффективно и экономично работавшими на больших расстояниях.

Правда, двухцилиндровый компаундный двигатель сохранял свое господствующее положение недолго. Паровая машина тройного расширения, в которой пар расширяется последовательно в трех цилиндрах, была запатентована в 1871 году и впервые использовалась на судне Propontis в 1874 году. Двигатели Ajax работали при давлении 60 фунтов, Propontis – 150 фунтов. На Aberdeen, спущенном на воду в 1881 году, были двигатели тройного расширения и усовершенствованные котлы, что позволило ему расходовать только 1,28 фунта угля на индикаторную лошадиную силу в час. За сорок лет потребление угля на индикаторную лошадиную силу в час сократилось более чем на две трети. Первая революционная перемена в конструкции морских силовых установок имела место в 1894 году, когда Чарльз А. Парсонс установил одну из своих паровых турбин на экспериментальном 45-тонном судне Turbinia. Работавшая на высоких скоростях и напрямую связанная с валом турбина вращала винт слишком быстро, чтобы быть практичной и удобной. Три более медленные турбины, каждая вращающая собственный вал, в 1896 году позволили развить рекордную скорость – 34,5 узла. Высокая скорость турбины и тот факт, что она всегда вращается в одном направлении, являются существенными недостатками. Впоследствии была испробована отдельная реверсивная турбина, чтобы обеспечить возможность реверса. К 1910 году стали устанавливать понижающие передаточные механизмы между турбиной и валом, чтобы совместить преимущество высокоскоростной работы турбины и эффективную скорость вращения винта. Начал развиваться также электропривод; турбины, вращающиеся с постоянной скоростью, приводящие в действие генераторы, дающие энергию моторам гребного вала, скорость которых может эффективно контролироваться, вне зависимости от скорости турбины. Mauritania и злосчастная Lusitania – однотипные суда, построенные в 1907 году, имели турбины, напрямую соединенные с гребными винтами, и успешное использование турбин на этих двух гигантах положило начало массовому применению турбин на морских судах. Турбина меньше по размеру, эффективнее и требует меньше технического обслуживания, чем поршневой двигатель, поэтому турбины стали устанавливать и на небольших судах. Тем не менее в 1952 году тоннаж судов с поршневыми двигателями был почти вдвое больше, чем тоннаж судов с турбинами.

В 1945–1951 годах теплоходы с дизельными двигателями стали быстро вытеснять пароходы. В 1903 году, через пять лет после первого промышленного выпуска дизельного двигателя, этот тип силовой установки был использован на двух русских танкерах, предназначенных для работы на Каспийском море. Первым океанским судном с дизельным двигателем стала 7500-тонная Selandia, построенная в 1912 году. Самыми крупными теплоходами, которые эксплуатировались в 1954 году, были 27 000-тонные. Морские дизели, так же как и железнодорожные, имели более высокую тепловую эффективность, чем на теплостанции, хотя очищенное дизельное топливо дороже, чем остаточное топливо или уголь. Использование нефтепродуктов в качестве топлива на морских судах существенно снизило расходы. К примеру, на Mauritania, одном из последних пароходов с ручными топками, было 324 кочегара с помощниками, чтобы грузить на тележке, подвозить к топке и вручную забрасывать туда лопатами 1000 тонн угля в день. Помимо экономии труда и топлива, использование нефтепродуктов увеличило выходную мощность, достигшую своего предела при ручном сжигании угля.

Велосипеды в Соединенных Штатах никогда не использовались очень уж широко, даже во время велосипедного безумия 1890-х годов. В Европе, где расстояния меньше, а автомобили дороже, велосипеды осуществляли значительную часть внутригородских перевозок.

Полые стальные трубы и спицы из стальной проволоки впервые были использованы в велосипедах в 1867 году, а шариковые подшипники – десятилетием позже. Изобретение, важное для велосипедов, а впоследствии ставшее важным и для автомобилей, – пневматическая шина. Чарльз Гудьир, изобретатель из Коннектикута, в 1839 году изобрел процесс вулканизации каучука, а в 1847 году англичанин Роберт Уильям Томпсон запатентовал шину. Его патент истек, и в 1888 году Джон Бойд Данлоп (1840–1921), шотландский ветеринар, имевший практику в Белфасте, произвел первую пневматическую шину с внешней покрышкой и внутренней камерой. Велосипеды современных конструкций вскоре после 1885 года стали во множестве появляться на дорогах Англии и Америки. Изобретение колес безопасности со звездочками и цепного привода сделало велосипедный спорт чрезвычайно популярным и не слишком опасным. Именно велосипеды в то время стимулировали новое дорожное строительство в Соединенных Штатах и, в меньшей степени, в Европе. Лига американских велосипедистов – The League of American Wheelmen, основанная в 1880 году и политически активная в 1890-х годах, постоянно разрабатывала и выдвигала программы усовершенствования общественных дорог. Клуб велосипедистов – Cyclists’ Touring Club – в Англии также был очень активен.