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

Удивительные результаты, полученные Ньюкоменом, Уаттом, Эвансом, Тревитиком и менее известными изобретателями, привлекли внимание многих к конструированию паровых машин. Следующий важный шаг в этой области был сделан с повышением давления добавлением еще одного цилиндра, чтобы использовать пар снова, когда он расширяется. Этот новый тип стал называться составной паровой машиной. Джонатан Картер Хорнблауэр (1753–1815), хорошо знакомый с машиной Ньюкомена, создал первый составной двигатель в 1781 году, добавив второй паровой цилиндр, больше первого (рис. 7.6). Принцип заключался в том, что пар сначала расширяется в цилиндре высокого давления, а затем снова расширяется в цилиндре низкого давления. Второй цилиндр, как и первый, соединен с крейцкопфом. Так пар выполняет дополнительную работу во втором цилиндре, когда его объем с уменьшением давления увеличивается. Операция была слишком похожа на ту, что происходила в одном цилиндре Уатта и отдельной камере для конденсации. И Уатт заявил, что его патентное право нарушено. Камера для конденсации Уатта только вызвала вакуум и не выполняла никакой дополнительной работы, но Уатт сумел убедить суд, что его изобретение украдено. Он и Болтон выиграли процесс, а Хорнблауэр умер в нищете.

Рис. 7.6. Составная паровая машина Хорнблауэра

Как и устройство Уатта для прекращения подачи пара в начале хода поршня, идея Хорнблауэра использовать силу расширения пара во втором цилиндре имела большое значение. В его время она почти не давала никаких преимуществ, потому что используемые тогда давления были слишком низкими, да и никто не понимал необходимости определенных пропорций диаметров цилиндров. В 1803 году Артур Вульф (1766–1837), в свое время работавший с Хорнблауэром, сконструировал составной двигатель (рис. 7.7), весьма успешный для своего времени, несмотря на то что размеры цилиндров высокого и низкого давления были сначала неверно рассчитаны для расширения пара с уменьшением давления. Вместе с Хамфри Эдвардсом Вульф усовершенствовал двигатель, который стал широко известен во Франции. Несмотря на высокую стоимость и сложность эксплуатации, он был популярен благодаря экономии топлива.

Рис. 7.7. Составная машина Вульфа, построенная в Париже в 1815 г.

Хотя о раннем развитии парового двигателя много говорилось в предыдущих главах, невозможно было обойтись без сопутствующих усовершенствований в области материалов, методов производства и дополнительных приборов. Только так можно было обеспечить движение вперед и в конструкции двигателя, и в подаче пара. Котлы Ньюкомена были переделаны из котлов пивоваров с закрытым верхом, кирпичные фундаменты строили так, чтобы дым уходил в дымоход. Сначала для котлов использовалась медь. После 1800 года 15-футовый котел Эванса с внутренней жаровой трубой был сделан из меди с деталями из чугуна и кованого железа. Котлы в кожухе из дерева, как бочка, с чугунными топками использовались до начала XIX века.

Первые котлы были крайне неэффективными. Требовалось много времени, чтобы нагреть воду достаточно для начала парообразования. Большое количество тепла уходило в трубу. Топлива, по-видимому, было много, но его перевозка стоила дорого. Желание сэкономить топливо привело сначала к удлинению котла, чтобы увеличить поверхность нагрева. Так появились «повозки» с плоскими поверхностями, в отличие от других форм. Давление, всего на несколько фунтов превышающее атмосферное, нарушало работу, если не приводило к взрыву котла, потому что плоские листы металла котла были слабыми. Цилиндрические формы оказались более стабильными, и требования к повышению давления и увеличению количества пара росли. Была поставлена цель: увеличить поверхность нагрева цилиндрических котлов, которая была достигнута установкой внутренней жаровой трубы, использованной Эвансом. Тревитик в 1812 году создал чугунный цилиндр длиной 30 футов и диаметром 6 футов, который имел внутреннюю жаровую трубу диаметром 3½ фута. Он сделал концы из плоского кованого железа, соединив его с цилиндром. Хотя и усиленные внутренней жаровой трубой, концы были относительно слабыми, потому что оставались плоскими, однако они могли выдерживать давление, которому повергал их Тревитик в то время.

Следующим шагом было увеличение числа жаровых труб. Джордж Стефенсон (1781–1848) построил двойную жаровую трубу, предвосхитив ланкаширский котел с двумя или тремя жаровыми трубами и топкой в начале жаровых труб, который сконструировал Уильям Фейрберн (1789–1874) в 1845 году и который широко использовался по всей Британии до 1939 года. Американец Джон Стивенс (1749–1838) из Хобокена в 1825 году сконструировал котел с множеством труб. Работая с двумя локомотивами, которые ему выделил Стефенсон, французский железнодорожник и промышленник Марк Сеген (1786–1875) вел практические эксперименты и в 1829 году создал жаротрубный паровой котел. С помощью Генри Бута Джордж Стефенсон и его сын Роберт одновременно применили этот принцип в их знаменитом локомотиве Rocket. Питер Купер (1791–1833) в 1830 году использовал стволы орудий для жаровых труб в своем маленьком локомотиве Tom Thumb.

Еще раньше появилась идея, что трубы должны нести не газы, а воду, которую надо было перевести в пар. Воду так нагревали еще в римские времена. Несколько инженеров пытались создать водотрубные котлы, и в первую очередь Джон Стивенс, который построил то, что впоследствии стало первым океанским пароходом, и Голдсуорси Герни, который строил паровые кареты для английских дорог. Схема, однако, не применялась повсеместно до конца XIX века. Во-первых, водотрубные котлы оказались слишком дорогими в изготовлении и оставались таковыми, пока процесс производства не был существенно усовершенствован. Во-вторых, трубы было непросто содержать чистыми и паронепроницаемыми. Роберт Стефенсон обнаружил, что они «загрязняются отложениями и прогорают». Было трудно обеспечить нужную циркуляцию воды в котле и предотвратить образование «мертвых участков», которые нагреваются и прогорают.

Машина Ньюкомена, при сравнении с другими источниками, вполне заслужила свою славу. Но как уже было сказано, потери тепла в ней достигали 99 процентов, в основном из-за топлива. Было установлено, что хороший уголь должен иметь примерно 14 000 британских тепловых единиц на фунт. Британская тепловая единица определяется как количество тепла, необходимое, чтобы поднять температуру 1 фунта воды, находящейся при температуре около 39 градусов по Фаренгейту, на один градус Фаренгейта. Она имеет эквивалент в единицах измерения работы – 778 футофунтов. Если бы машина Ньюкомена была эффективной на 100 процентов, она бы поднимала 10 892 000 фунтов воды на 1 фут на каждый фунт потребляемого топлива. Согласно записям, фактически она поднимала 43 000 фунтов воды на 1 фут на фунт потребляемого топлива. Таким образом, ее эффективность составляла меньше 0,5 процента. До 1774 года были внесены отдельные усовершенствования, и Смитон обнаружил, что машина выполняет 105 000 футофунтов работы на фунт угля. Его собственные изменения в механизме подняли эту цифру до 120 000. Утверждают, что некоторые машины Уатта выполняли 320 000 футо-фунтов работы на фунт угля, иными словами, достигли эффективности 2–3 процента.