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

При прочих равных условиях, что бывает редко, эффективность увеличивается с увеличением давления и температуры. Джеймс Уатт это знал. Он предпочитал, однако, развивать машины низкого давления, чтобы избежать риска и не подвергать доступные ему материалы высокому давлению. Можно было ожидать, что двигатели Эванса и Тревитика, работавшие с давлением около 50 фунтов, стали намного эффективнее. Однако они не были конденсаторными и выпускали пар при сравнительно высоком давлении и температуре и потому теряли существенное количество потенциальной эффективности. Составной двигатель Хорнблауэра вначале давал мало практических преимуществ, потому что работал при низких давлениях. Много факторов следует учитывать при определении экономической эффективности, и было бы несправедливо утверждать, что эти ранние двигатели высокого давления и составные двигатели являлись более ценными для промышленности своего времени, чем одноцилиндровая машина низкого давления Уатта.

Рис. 7.8. Двигатель Корлисса на выставке в Филадельфии

На протяжении следующих пятидесяти лет стационарные поршневые паровые двигатели, постоянно совершенствовавшиеся, постепенно увеличивались в размере, повышалась их скорость и эффективность. Несколько десятилетий двигатели самых разных типов использовались как источники энергии для промышленности и насосов. В 1849 году Джордж Генри Корлисс (1817–1888) из Провиденса, Род-Айленд, создал новый быстродействующий клапан взамен золотникового клапана, обычно использовавшегося на стационарных двигателях. Двигатель Корлисса стал популярным в Соединенных Штатах и у европейских инженеров, которые его активно копировали. Двигатель Корлисса, установленный на всемирной выставке 1876 года в Филадельфии, привлек всеобщее внимание (рис. 7.8). Это был балочный тип машины. С двумя поршнями высокого давления диаметром 40 дюймов и 10-футовым ходом поршня при 360 оборотах в минуту она при нормальных условиях вырабатывала 1400 лошадиных сил. Она стояла в самом центре зала машин и собирала толпы зрителей. Она имела два вала длиной 108 футов под прямым углом друг к другу. Энергия, вырабатываемая машиной, приводила в действие другие механизмы в здании.

На всемирной выставке в Калифорнии впервые была продемонстрирована реальная возможность выработки электроэнергии с помощью пара. Впоследствии этот процесс стал развиваться очень быстро. Сначала электрические генераторы или динамо, высокоскоростные устройства, приводились в действие при посредстве ремней. Довольно скоро стало возможно соединять динамо прямо с двигателями. По мере того как увеличивались размеры и динамо, и двигателей, давление пара приблизилось к 200 фунтам и появилась возможность создать двигатели тройного расширения. Было принято использовать вертикальный цилиндр высокого давления и горизонтальный цилиндр низкого давления для приведения в движение вала. Такая конструкция существовала до тех пор, пока в XX веке поршневой двигатель не сменился паровой турбиной.

Пар быстро проник в существующие отрасли промышленности. С его помощью мололи муку, пилили древесину и камни, качали воду, поднимали уголь, дробили руду, плавили и ковали железо, особенно если предприятия располагались вдали от водопадов. Он также нашел применение в новых видах деятельности – прокатывании и нарезании металлических листов, вытягивании проволоки, текстильном производстве. Но инженеры XVII века не отказались от энергии воды только потому, что их больше привлекали чудеса пара. Понятно, что водяные колеса, несмотря на век пара, могли генерировать энергию для многих отраслей промышленности так же хорошо и даже намного дешевле, если благоприятствовали местные условия. Это в первую очередь относилось к ситуациям, когда несколько предприятий были сосредоточены на участке с устойчивым и надежным потоком воды. Особенно важно, чтобы река не мелела и не пересыхала. Более того, человек по природе своей осторожно относится к новому, и многие люди держались за старые методы, которые верой и правдой служили им и их отцам.

Джон Смитон (1724–1792) новшеств не боялся. Внося усовершенствования в машину Ньюкомена, он не переставал думать о дальнейших возможностях улучшения работы водяных колес. Любопытству Смитона не было границ. Он был прирожденный экспериментатор в самых разных областях и после его смерти в 1792 году был признан выдающимся инженером своего времени. Его труды до сих пор считаются классическими для инженеров, в первую очередь его доклад Королевскому обществу в 1759 году «О естественной энергии воды и ветра».

В результате активной пропаганды Смитона и его работы консультанта верхненаливные колеса больших размеров с усовершенствованным регулированием стали широко использоваться в Британии, Европе и Америке. При центральном расположении колес их энергия могла передаваться при посредстве осей и ремней в разные здания, расположенные в окрестностях энергетической установки. Одно из колес, диаметром 50 футов и шириной 6 футов, было установлено в районе Мертир-Тидвил в Уэльсе. Оно генерировало около 50 лошадиных сил для домен. Еще одно колесо Смитона, построенное в Лондоне и в 1852 году отправленное в Италию, было диаметром 76½ фута и вырабатывало 30 лошадиных сил. Водяное колесо диаметром 72½ фута в Лакси, что на острове Мэн (рис. 7.9), установленное в 1854 году для откачки воды из шахты, вырабатывало 200 лошадиных сил.

Рис. 7.9. Большое водяное колесо в Лакси на острове Мэн, 1854 г.

Оливер Эванс считал себя должником Смитона и широко цитировал его в докладе Королевскому обществу. Он заявил, что Смитон – единственный известный ему автор, который соединил практику и опыт с теорией. При жизни Эванса и после его смерти в Америке было построено много верхненаливных колес, одно из самых больших – в Восточном Теннесси.

Рис. 7.10. Колесо Понселе

Другое водяное колесо – pitchback – также получило распространение в Соединенных Штатах. Вода льется сверху на ближнюю сторону, поворачивая колесо к водному потоку (подводящему каналу), вращающему нижнюю часть колеса силой течения ниже падающей воды или, в худшем случае, в стоячей воде запруды. Но pitchback, как и верхненаливные колеса, могут использовать только небольшую часть энергии падающей воды между подводящим каналом и отводящим. Потеря мощности очевидна. Более того, такие колеса большие и громоздкие, даже если сделаны из железа. Их можно облегчить, только сделав меньше. Будет выигрыш в мощности, если ни одна из частей колеса не будет поворачиваться в стоячей воде. Но одновременно уменьшение диаметра колеса приведет к потере высоты падающей воды, а значит, к снижению мощности.