Помоги проекту - поделись книгой:
В машинах тройного расширения самый маленький цилиндр, куда вначале поступает пар, называют цилиндром высокого давления; затем пар переходит в цилиндр среднего давления и, наконец, в самый большой — цилиндр низкого давления.
Но, кроме усовершенствования самой машины, немало пришлось поработать и над устройством котлов, дающих пар.
Энергия парохода
Давайте посмотрим, каким образом в котле получается пар.
Котел — это большой стальной барабан, стоящий на прочном фундаменте. Конечно, он не похож на те котлы, в которых варят пищу, уже потому, что огонь разводят не снаружи, а внутри его — в топках. Если сравнивать его, то лучше с самоваром. Только, кроме жаровой трубы, у судового котла внутри множество трубок. Их называют дымогарными. Через них проходят из топки и огневой коробки горячие газы. Потом эти газы уходят в дымовую трубу парохода. Вода наполняет корпус котла поверх трубок. Но сверху еще остается пространство, где собирается пар. А пар получается от испарения воды, нагреваемой горячими трубками и стенками топок.
Такой котел называют огнетрубным.
Есть еще водотрубные котлы. У них наоборот: вода идет по трубкам, а горячие газы нагревают трубки снаружи. Да и внешне эти котлы никак не похожи на огнетрубные. У них два, а то и три барабана, правда, небольших размеров. Эти барабаны — коллекторы — чаще всего располагают треугольником: один верхний — пароводяной и два нижних — водяные. Слово «коллектор» означает: «собиратель». Тут его применили не случайно. Верхний коллектор соединен с нижними двумя пучками водогрейных трубок. Между пучками устроена топка, выложенная огнеупорным кирпичом. Вода заполняет нижние коллекторы, все трубки и даже половину верхнего. А пар собирается в его свободной верхней половине.
Водотрубные котлы гораздо лучше огнетрубных. Они не так тяжелы и громоздки. Воды им требуется в несколько раз меньше. Поэтому если для разводки огнетрубного котла надо затратить не менее 12 часов, то разводка водотрубного проходит в четыре — пять раз быстрее. Паровую машину мощностью в 5000 лошадиных сил может обслужить один водотрубный котел, тогда как огнетрубных пришлось бы ставить четыре или даже пять.
Много значит для работы котла, какое в нем сжигается топливо.
Раньше топливом для судовых котлов служил только каменный уголь. Для него по бокам кочегарок, а иногда и между ними, выгораживали угольные ямы. Уголь ссыпали в эти ямы-бункера через отверстия в верхней палубе.
Уголь забрасывают через дверцы топок ровными слоями на колосниковую решетку котла, вроде той, что имеется в кухонной плите. Ниже решетки — зольник для сбора золы.
При сгорании угля образуются горячие газы, которые через огневую коробку проникают в дымогарные трубки. Но не вся энергия, заключенная в угле, переходит в энергию пара.
Дело в том, что уголь сгорает не полностью, — какая-то часть его вылетает в дымовую трубу. Потому она и дымит! Много теплоты уносят в дымовую трубу продукты горения угля. Они покидают котел с температурой до 400°.
Люди теперь додумались использовать теплоту уходящих газов для подогрева воды, питающей котел. Горячие газы, прежде чем уйти в воздух, пропускаются через особую камеру — экономайзер — с несколькими пучками трубок. Вот через эти трубки, обмываемые горячими газами, и прогоняют насосом питательную воду И в котел идет вода, уже нагретая до 100° и выше. А чтобы испарить нагретую воду, требуется меньше тепла, оттого и получается экономия в расходе топлива. Для этого же уходящими газами подогревают и воздух, который подают в топку.
Есть у котла еще одно устройство. Служит оно для перегрева пара, да так и называется: пароперегреватель. Оказывается, пар при своем образовании увлекает наверх частицы воды. И эта влага в паре ухудшает работу машины. А у перегретого пара такой влаги нет, да и теплосодержание его больше. Это не удивительно, — температура перегретого пара достигает 450°.
Нужно рассказать еще и о том, что даже после того как пар поработал во всех трех цилиндрах машины, его «приключения» не заканчиваются.
Когда-то пар на судах выпускали прямо в воздух. Теперь так не делают. Из машины пар направляют в особый бак — конденсатор. Внутри этого конденсатора проходит множество латунных трубок, и по трубкам насос непрерывно прогоняет из-за борта холодную воду. Пар, касаясь холодных трубок, охлаждается и превращается в воду — конденсат. Эту воду питательный насос гонит в котел, где она снова станет паром.
Конечно, на пути от котла до конденсатора какие-то потери пара будут. И каждый раз в конденсатор поступает воды меньше, чем подано в котел. Ну, на этот случай на пароходе всегда имеется запас пресной воды для добавки в котел. Такой запас хранится в особых цистернах.
А если выпускать пар в воздух, то воды не напасешься. Тут понадобится такой запас, что и полпарохода для него будет мало. Тогда не пароход, а какой-то водовоз получится. Где тут думать о грузах! Впору только воду возить.
Вы можете спросить: а зачем возить воду, когда вокруг парохода целое море? Качай себе воду в котел из-за борта, а пар выбрасывай в воздух.
Но этого делать нельзя, — так только беды пароходу наделаешь.
Когда морская вода станет превращаться в пар, на стенках котла будет оседать соль — накипь. Эта накипь постепенно образует вторую стенку котла. Получится как бы подкладка внутри стального котла. Стальная стенка, огражденная от воды накипью, будет перегреваться до температуры в топке. От такого жара у стальной стенки уменьшается прочность. Она может растянуться и лопнуть и вода хлынет в горящую топку. При этом мгновенно получится столько пара, что ему нипочем любые прочные стенки. Как снаряд, разорвется котел, разнесет вдребезги палубу. От такого взрыва может не уцелеть и весь пароход. Поэтому никто не качает воду в котел из-за борта, а возят с собой пресную воду, да еще и конденсатор применяют. На судах дальнего плавания имеется особый аппарат — опреснитель, превращающий соленую воду в пресную, для питания котлов и мытья людей.
У конденсатора есть еще одна важная обязанность, которая улучшает работу машины. Известно, что вода занимает значительно меньший объем, чем пар. Поэтому при сжижении пара в конденсаторе получается разрежение пространства — вакуум. Вакуум еще больше увеличивают, выкачивая из конденсатора воду и воздух. И в цилиндре машины можно наблюдать такое явление: пар толкает поршень с одной стороны, а вакуум конденсатора, увеличивая разницу в давлении по обе стороны поршня, как бы помогает пару с другой стороны. Конечно, все это было придумано не сразу. На протяжении десятилетий инженеры всех стран улучшают конструкцию котла.
Теперь судовые котлы чаще всего приспособлены для работы не на угле, а на нефти, — вернее, на мазуте, который представляет собой остатки ее после переработки. Для сжигания мазута в топке его распыливают особым прибором — форсункой, впервые созданной известным изобретателем Александром Ильичом Шпаковским. Форсунка распыляет подводимый по трубе мазут и выбрасывает его из сопла. Пламя горящего мазута похоже на метелку, а температура достигает 1600°. При таком пламени получается меньше несгоревшего топлива, сажи и искр, чем при угольном отоплении. Да и температура пламени намного выше, чем при сгорании угля; значит, и размеры топки можно делать меньше.
И что важно, — применение мазута сократило число кочегаров и облегчило их труд. На вахте у котлов уже не стоят покрытые потом и угольной пылью кочегары, которые изнемогали когда-то от страшной жары, орудуя в топках «ломиками» и «шуровками» весом в 20–30 килограммов. За одну вахту иногда приходилось каждому забрасывать в топку по 2–3 тонны угля.
В отделении, где стоят нефтяные котлы (так называют котлы с мазутным отоплением), нет ни страшной жары, ни угольной пыли. Здесь от кочегара не требуется большой физической силы. На каждом котле много клапанов, кранов и приборов. Кочегар только следит за показаниями приборов и, сообразуясь с ними, налаживает работу котла. Часто у котла бывают автоматические приборы. Тогда автоматы делают за человека все: подают в строгом соотношении воду, мазут, воздух и точно регулируют давление пара.
Двигатель и движитель
Перейдем теперь в машинное отделение парохода. Цилиндры машины покоятся на массивных колоннах, скрепленных с фундаментной рамой. Сквозь днище цилиндров проходят длинные штоки. На верхнюю часть каждого штока насаживается поршень. А нижняя часть штока заканчивается поперечиной с ползуном. Ползун скользит вверх и вниз по шлифованным поверхностям параллелей, укрепленных на колонне машины. Параллели для движения поршня — это все равно что рельсы для трамвайного вагона. Они предохраняют шток от искривления.
Поперечина соединена со следующей тягой, которую называют шатуном.
Шатун устроен так, что его верхняя часть ходит вверх и вниз вместе с ползуном и штоком, а нижняя часть вращает, словно нога велосипедную педаль, одно из колен коленчатого вала машины.
Таким образом, прямолинейно-возвратное движение поршня в цилиндре преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. И что интересно, вращение коленчатого вала при помощи особого передаточного механизма— эксцентрика — производит попеременный впуск пара то в верхнюю, то в нижнюю полость каждого цилиндра через специальную золотниковую коробку, расположенную рядом с цилиндром. Здесь мы имеем обратное явление: вращательное движение вала преобразуется эксцентриками в прямолинейно-возвратное движение задвижек коробки, называемых золотниками.
Золотники открывают окна то в верхней, то в нижней полости цилиндра, впуская туда пар. Пар от котла подводится по трубе через золотниковые коробки в цилиндр высокого давления, затем, последовательно, в цилиндры среднего и низкого давления, а из цилиндра низкого давления он уже отводится в конденсатор. Коленчатый вал машины соединен с целой линией валов. Эта линия тянется по специальному тоннелю иногда через несколько отделений парохода и заканчивается гребным валом, выходящим из кормовой части судна наружу. На этот вал насаживается гребной винт. Так движение поршней цилиндров заставляет вращаться коленчатый вал машин, судовой валопровод и гребной винт.
У первых пароходов гребных винтов еще не было. Были гребные колеса. Колеса удобны на реке, где мелко и нет больших волн. И сейчас еще много речных пароходов с колесами. На море с гребными колесами — просто беда, особенно когда разгуляются волны. Вот пароход кренится на правый борт. Колесо этого борта глубоко зарывается в воду, а левое обнажается. В этот момент работа левого колеса бесполезна. Оно хлопает лопастями в воздухе, а пользы для парохода никакой нет. Перевалится пароход на левый борт, правое колесо вращается впустую. А если так, то и машина работает неравномерно. Одно колесо перенапрягается, другое действует вхолостую. От такой работы части машин быстро изнашивались, выхолили из строя, а лопасти колес ломались.
Так было до тех пор, пока на пароходе не установили винт. Полезное действие винта было известно еще в глубокой древности. В те времена его использовали для выкачивания воды. Рассказывают, что еще в 1630 году из Китая в Европу привезли модель винта, предназначенного для движения судна. Но в эпоху парусного флота еще не было машин, которые могли бы вращать такой винт.
И только с появлением механического двигателя начали создавать и применять все более удачные конструкции гребных винтов. Очень интересный винт предложил чешский изобретатель Йосеф Рессель в 1827 году. Его винт в США и Австрии признали вполне пригодным для движения парохода. За создание гребного винта Ресселю даже поставили памятник в Вене и Нью-Йорке.
Необычайный случай произошел с другим изобретателем — англичанином Смитом: он испытывал в 1836 году судно, имевшее длинный деревянный винт Архимеда. При случайной аварии часть винта обломали, но судно пошло гораздо быстрее. Оказывается, винт получил более выгодную форму.
В нашей стране первым винтовым пароходом был фрегат «Архимед», построенный в 1848 году.
Соперничество винта с колесом тянулось долго. А иногда приходилось ставить и винт и колесо одновременно. Так на построенном в шестидесятых годах гигантском судне «Грейт-Истерн» (оно имело около 200 метров длины) строители взгромоздили и колеса (диаметром по 17 метров!), и винт (весом около 36 тонн), да еще шесть мачт с парусами!
В 1842 году, чтобы окончательно решить, какой движитель лучше, сделали так: взяли два совершенно одинаковых фрегата с одинаковыми машинами (по 200 сил), но один сделали винтовым, а другой — колесным. Потом установили их кормой друг к другу, соединили крепкими цепями и дали полный вперед обоим кораблям.
Винтовой перетянул и поволок соперника со скоростью 2,5 узла.
Гребной винт и гребные колеса называют движителями судна. Кстати сказать, многие путают двигатель с движителем. Считают, что это одно и то же. На самом деле эти понятия разные. Двигатель — это машина, создающая необходимую для движения судна силу. Но сама по себе такая сила не может двигать судно. Требуется дополнительное приспособление, с помощью которого сила машины будет воздействовать на воду, отталкивать судно от нее. Это приспособление и есть движитель. Встречается много разных типов движителей. Но самым распространенным является пока гребной винт. Он состоит из трех или четырех лопастей и общей втулки — ступицы, которая насаживается на гребной вал. Суда чаще всего имеют один — два гребных винта и столько же машин.
Как же работает гребной винт?
У колесного парохода видно, чем и как он гребет. У него по бортам колеса, насаженные на вал машины, идущий поперек судна. Лопастями своих колес пароход загребает воду, будто веслами. А у винтового вы видите за кормой только мощный поток бурлящей воды. Это гребной винт, сидящий глубоко в воде, вращаясь, ввинчивается в нее, с силой отталкивает воду назад, а судно движет вперед. Эта сила — упор винта, через специальный упорный подшипник на валу, передается всему пароходу.
Очень много значат для нормальной работы гребного винта правильно подобранные размеры и форма его лопастей. Вот какой случай произошел с нашим выдающимся кораблестроителем — академиком А. Н. Крыловым. Однажды он плыл на новом английском судне. Капитан этого судна был мрачен и очень неохотно отвечал на все вопросы Крылова.
Видимо, он чем-то был недоволен. В конце концов удалось выяснить причину плохого настроения капитана. Оказывается, его раздражала малая скорость парохода.
«Вы понимаете, — сердито говорил капитан, — как это неприятно: идти со скоростью черепахи на судне, которое по всем своим данным должно быть быстроходным. В чем здесь дело, ума не приложу». Крылов сочувственно слушал капитана. Ему была понятна печаль старого моряка. И он решил помочь ему. Когда пароход пришел в Англию, Крылов направился в контору общества, которому принадлежало судно, и увидел там модель злосчастного парохода. Модель в точности воспроизводила все устройство судна, но, конечно, с уменьшением (в 100 раз). Крылову сразу же бросилось в глаза, что у парохода винт непомерно велик. Он порекомендовал владельцу судна обрезать каждую лопасть винта на 200 миллиметров. Судовладелец послушался и потом не раскаивался в том, что доверился русскому ученому. Стоило уменьшить лопасти винта, и пароход стал давать скорость на несколько узлов больше. Оказывается, диаметр винта был подобран неправильно.
— Как вы могли так искусно определить болезнь моего судна? — спросил изумленный судовладелец.
— Я тридцать два года читаю «Теорию корабля» в Морской Академии в Ленинграде! — просто ответил Крылов.
Конструкторы много трудятся над тем, чтобы улучшить работу винта и этим увеличить скорость парохода без повышения мощности двигателя. Они пытаются создать и такие суда, где можно обойтись вообще без гребных винтов, колес и даже без рулей.
Вот какую картину можно было наблюдать однажды на реке Ман, южнее Красноярска. Тишину реки нарушил рокот мотора. Из-за поворота показался небольшой катер. Неожиданно ему преградило дорогу препятствие — нагромождение бревен. Но катер не остановился и не свернул. Подминая с полного хода под себя бревна, он вошел в самую гущу затора.
При таких условиях плавания у любого судна обязательно бы разлетелся вдребезги винт и он потерял бы всякую возможность двигаться и управляться. Но в том-то и дело, что у катера винта не было. Не было у него и машины с валами и руля. Вместо всего этого катер имел только мощный насос.
Этот насос через приемные отверстия в днище втягивает воду, а затем с огромной силой выталкивает ее через корму, а катер получает движение вперед. Такая установка называется водометной или реактивной.
Конструкторы создают и такие устройства, которые помогают небольшим винтовым судам развивать необычайно высокую скорость.
К таким устройствам относятся, например, подводные крылья. На заводе «Красное Сормово» в Горьком уже построен катер «Ракета». У него под корпусом два несущих крыла. На малой скорости хода такой катер движется как обычное судно. Но вот скорость катера увеличивается до 30 километров в час. Большей скорости из этого винта, казалось бы, выжать нельзя. Но тут и вступают в действие подводные крылья. Они, как крылья самолета, создают подъемную силу и выталкивают корпус катера из воды. Он как бы повисает над поверхностью воды. Погруженными в воду остаются только крылья, гребной винт и руль.
Благодаря этому сопротивление воды движению катера резко уменьшается, а скорость его увеличивается со сказочной быстротой: шестьдесят… восемьдесят… сто километров в час. Стремительно проносится катер вдоль живописных берегов.
Инженеры считают допустимым создание и морских судов с подводными крыльями. Возможно, пройдет несколько лет, и на океанских просторах будут мчаться со скоростью 100 километров в час и более пассажирские экспрессы. Люди будут пересекать Атлантический океан самое большее за два дня.
Интересно напомнить, что переход через океан на парусных судах XV века совершался за 70 дней; первый пароход затратил на это 26 дней, а построенный в 1952 году лайнер «Юнайтед Стейтс» такой переход делает за 3 дня и 15 часов. Это огромный корабль длиною в 302 метра. 160 000 лошадиных сил его двигателей вращают четыре винта.
Но мы уже знаем, что паровая машина такой мощности обеспечить не может. Возникает вопрос: какие же там стоят двигатели?
Оказывается, на нем, как и на всех особо мощных и быстроходных боевых и транспортных судах, стоят не поршневые паровые машины, а паровые турбины.
Еще совсем недавно паровые турбины казались чудом современной техники. Давайте посмотрим, что это такое.
Пароход — турбоход
На протяжении всего XIX века изобретатели упорно, но безуспешно работали над тем, чтобы добиться возможно большей мощности от паровой машины. Это надо было сделать для того, чтобы крупные пароходы могли ходить с высокой скоростью. Рост кораблей обгонял возможности паровой машины. Все эти старания не дали нужных результатов.
Однако в конце концов кораблестроители выяснили, что этой цели можно достигнуть только в том случае, если соорудить паровую машину таких размеров, что она займет весь пароход.
Ясно, что на такой путь увеличения мощности машины становиться было нельзя.
Дело в том, что работа пара в самых лучших машинах используется всего на одну пятую его энергии. Поэтому-то и нельзя было добиться даже от самой, казалось бы, большой машины мощности больше 5000 лошадиных сил.
Мы уже знаем, что пар поступает в цилиндр машины через золотники. Поступает отдельными порциями. Поэтому поршень цилиндра получает от расширяющегося пара не непрерывный нажим, а отдельные толчки.
Кроме того, из-за малой высоты цилиндра каждая порция пара действует очень незначительное время. Да и скорость перемещения поршня в цилиндре при этом невелика — не более 5–7 метров в секунду.
Если ставить очень высокий цилиндр, чтобы пар поработал, разгоняя поршень, подольше, то опять придется увеличивать размеры машинного отделения и всего парохода в целом.
Вот хорошо бы иметь такой двигатель, в котором пар действовал бы равномерно в течение всего времени работы этого двигателя! Да и двигался бы побыстрее. Тогда мощность двигателя неизмеримо повысилась бы.
Такой двигатель с постоянно действующим паром, названный паровой турбиной, был создан в конце прошлого столетия. В этом двигателе, делающем несколько тысяч оборотов в минуту, пар мчится в 40 раз быстрее, чем в паровой машине.
Так что назвали его турбиной не случайно: по-латыни «турбо» означает «вихрь». И что интересно: проект турбины одновременно разработали два человека, совершенно не знавшие друг друга. Это были шведский инженер Г. Лаваль и англичанин Ч. Парсонс.
Моряки рассказывают такую историю. В 1897 году на Дуврском рейде для торжественного парада по случаю юбилея королевы Виктории выстроился английский флот. Могучие броненосцы и стремительные крейсеры замерли в ожидании яхты королевы. Все было наготове.
И вдруг вместо королевской яхты откуда-то вынырнуло и с невероятной скоростью промчалось перед строем небольшое узенькое суденышко.
Самый быстроходный сторожевик бросился в погоню за нарушителем порядка. Но куда там! Успели только прочитать надпись на корме — «Турбиния». Скорость хода этого судна была в полтора раза выше, чем скорость лучших морских ходоков мира.
Вот поэтому-то строителя и владельца судна не только не отдали под суд «за безобразие на рейде», но наоборот — очень любезно пригласили в Адмиралтейство.
Строителем оказался инженер Парсонс. На своем судне он впервые в мире применил паровую турбину.
Поделиться книгой: