? I) Общие понятия и история возникновения. ? II) Действие пара. ? III) Парораспределение и регулирование хода. ? IV) Типы. ? V) Определение размеров. ? VI) Испытание. Индикатор и индик. диаграммы. ? VII) Статистические сведения. ? VIII) Литература о П. машинах.
I. Паровая машина есть машина-двигатель, в которой движущей силой служит пар, образуемый из воды или иной жидкости действием огня. Мысль воспользоваться упругостью водяного пара, как движущей силой, возникла очень давно и привела Герона Александрийского, еще за 120 лет до Р. Хр., к изобретению эолопила, пустотелого металлического шара с двумя противоположно отогнутыми на концах трубками, вращаемого струей вытекающего из трубок пара. Но до применения движущейся силы пара к потребностям промышленной жизни протек длинный ряд столетий. Путь был расчищен в XVII столетии доказательствами весомости окружающего нас воздуха и производимого им давления, величина которого измеряется весом ртутного столба в 760 мм высотой, которому соответствует водяной столб в 10 1/3 м, или 34 фут., выс., что дает давление в 1,0333 = около 1 1/50 кг на площадь в один кв. см, или давление в 16,272 фун. (14,696 англ. фун.) на кв. дюйм. Манометры (см. П. котлы), показывают избыток давления пара над атмосф. давлением воздуха, выраженный в англ. фун. на кв. дюйм, или в числе атмосфер. Так, напр., давление в 110 англ. фун. соответствует 7,5 атм. Пользуясь атмосферным давлением воздуха и указанным еще в 1601 г. Портой (Giovanni Battista della Porta) простым способом получать пустоту (точнее ? разреженное пространство) посредством сгущения водяного пара в закрытом сосуде, англ инженерный капитан Томас Сэвери (Thomas Savery) изобрел в 1698 г. первую П. водоподъемную машину. Но современная паровая машина развилась из построенного в 1690 г. Денисом Папином (см.) прибора, изображенного на черт. 1 табл. I.
ПАРОВЫЕ МАШИНЫ I.
При превращении в пар небольшого количества воды на дне цилиндра С, прикрытого сверху крышкой d и снабженного поршнем. K, последний станет подниматься вверх. Закрепив железным засовом е поршень в высшем его положении, прекращают затем действие огня, вследствие чего пар сгущается и поршень начинает опускаться под атмосферным давлением воздуха сверху; при этом он может производить механич. работу, поднимая напр. груз, подвешенный к перекинутой через блоки rr веревке s. Прибор Папина, по уничтожении бесполезного засова е, является родоначальником атмосферных П. машин, в которых рабочее движение поршня производится атмосферным давлением воздуха, обратное же движение поршня совершается давлением пара, преодолевающего давление воздуха с противоположной стороны. Дальнейшее развитие П. машин состояло в устранении содействия атмосферного давления воздуха для производства паром механической работы. Упомянутая выше машина Сэвери имела следующее устройство (черт. 2 т. I): пар, притекающий из котла по трубе Е давит непосредственно на воду, находящуюся в сосуде, или приемнике, С, и гонит ее вверх по нагнетательной трубе; затем, закрыв кран в трубе Е, прекращают приток пара и открывают кран F, по которому холодная вода течет в кожух (оболочку), окружающий приемник С; охлаждаемый извне пар сгущается внутри приемника и в образующуюся пустоту притекает снизу по всасывающей трубе вода, гонимая атмосферным давлением воздуха на поверхность воды в колодце; вода приподымает нижний (всасывающий) клапан в клапанной коробке K и наполняет приемник С; по наполнении закрывают кран F и снова пускают пар, вследствие чего вода устремляется из приемника в нагнетательную трубу, закрывая нижний (всасывающий) и открывая верхний (нагнетательный) клапан в коробке K. Машина Сэвери ныне возродилась вновь в сильно усовершенствованном виде так наз. пульсометра (см. Пульзометры [Пульсометры]), точно так же как мысль, положенная в основание устройства эолопила, осуществилась ныне в устройстве П. турбин (см. Турбины П.). В России, по свидетельству Кларка ("Горный Журн.", 1826, т. X, стр. 63), одна из первых машин, устроенных капитаном Сэвери была выписана Петром Вел. из Англии и хранилась в СПб. в Летнем саду. П. котел в ней вмещал 5?6 бочек, а приемник ? одну бочку воды, наполняясь и опорожняясь 4 раза в минуту. Вода всасывалась на 29 фут., а потом давлением пара нагнеталась еще на 11 фут. выс. По опытам Кларка, не менее 11/12 частей пара сгущалось бесполезно. Две усовершенствованные машины Сэвери были установлены в СПб., в банях Трусова, на Фонтанке. Несмотря на настоятельнейшую потребность в П. водоподъемных машинах для выкачивания воды из английских рудников, которые, по мере углубления, все чаще и чаще затоплялись водой и требовали огромных затрат для выкачивания воды силой людей и лошадей, машины Сэвери не получили большого распространения, так как расход топлива был в них слишком велик, а главное ? они были мало пригодны для выкачивания воды из глубоких рудников, во-первых, потому, что, помещаясь по необходимости не выше 29 фут. над ур. воды в колодце, сами подвергались опасности затопления водой, а во-вторых, для нагнетания воды на большую высоту, непосредственным давлением пара, требовалось сильно повышать это давление, прибавляя не менее одной атмосферы на каждые 84 фут. высоты подъема, отчего происходили нередко взрывы котлов, по неумению в то время изготовлять котлы, способные безопасно выдерживать сколько-нибудь значительные давления пара. Спустя 10 лет машина Сэвери была вскоре совершенно вытеснена атмосферной П. машиной Ньюкомена и Коулэя (Thoma s Newcomen and John Cowley), сходной по мысли с прибором Папина. Общий вид машины изображен на черт. 3 т. I; первоначально вода для сгущения пара не впрыскивалась внутрь цилиндра из бака с, как показано на чертеже, а только наливалась небольшим слоем над поршнем, с целью устранить протоки пара и воздуха от неплотного прилегания поршня к стенкам цилиндра; сгущение же пара производилось обливанием цилиндра водой, как в машине Сэвери. Сделанное в 1712 г. случайное наблюдение привело к впрыскивание воды внутрь цилиндра для ускорения сгущения в нем пара: впрыснутая вода и вода от сгущения пара удалялись наружу по трубке f, прикрытой клапаном. Первоначально краны a и b для впуска пара и впрыскивания воды поочередно открывались и закрывались рукой, впоследствии же был устроен механизм для автоматического передвижения их самой машиной. В машине Ньюкомена впервые появляется коромысло (балансир) для передачи движения от П. поршня к насосу. При опускании поршня атмосферн. давлением воздуха поднимается штанга (стержень) насоса и производится его поршнем нагнетание воды; обратное же движение П. поршня вверх и водяного поршня (поршня насоса) вниз производится давлением пара и весом весьма длинной и потому очень грузной штанги, которая в случае надобности может быть снабжаема еще добавочным грузом. Устранением непосредственного давления пара на воду достигалось существенное преимущество над машиной Сэвери, так как увеличивая площадь П. поршня в сравнении с площадью водяного можно было давлением одной атмосф. поднимать воду на любую высоту. Но расход топлива все еще оставался весьма большим, хотя и значительно меньшим прежнего. В России первая большая машина Ньюкомена появилась в 1777 г.; она была выписана из-за границы по почину имп. Екатерины II для выкачивания воды из канала Петра Вел., примыкавшего к сухим докам в Кронштадте. Построена она была в Шотландии на Карронском заводе по чертежам Смитона (Smeaton), значительно усовершенствовавшего машину Ньюкомена. Эта "огнедействующая машина", при помощи которой, по словам императрицы, "огнем выливается вода из дока и канала", стоила, по описанию Картмазова, 70882 рубля, имела три котла от 8 до 10 фут. в поперечнике, из которых пар собирался в среднем котле; помещавшемся под цилиндром; поперечник цилиндра был в 5,5 фут., а длина коромысла 27 2/3 фут. При 10 ходах в минуту машина, посредством двух насосов по 26 дм в поперечнике, в каждый ход выливала 57 куб. фут., или 131 ведро, воды (см. Брандт, "История П. машин", СПб., 1892). Первая П. машина, построенная в России, была "огненная машина", изобретенная шихтмейстером Ив. Ив. Ползуновым, для производства дутья воздуходувными махами при выплавке руды; машина эта действовала в 1766 г. на Барнаульском заводе в течение двух месяцев; она была основана на тех же началах, как и машина Ньюкомена, но, по свидетельству Шлаттера, которому повелением имп. Екатерины II поручено было рассмотрение машины, Ползунов "достойным похвалы искусством так успел изменить ее состав, что машину его должно почесть новым изобретением". Модель машины Ползунова сохраняется в Барнаульском горном музее (см. книгу Брандта). В 1765 году Джемс Ватт (James Watt), починяя модель машины Ньюкомена для класса физики Университета в Глазго (Glasgow), произвел исследования, приведшие к созданию П. машины, навсегда обессмертившей его имя. Ватт принялся за эти исследования вполне научным образом; он ознакомился со свойствами водяного пара, определил, насколько позволяли имевшиеся в его распоряжении средства, зависимость между давлением, температурой и объемом пара, а также путем опыта нашел теплоту парообразования, т. е. количество теплоты, необходимое для превращения единицы веса жидкости в пар той же температуры. Эти исследования привели Ватта к вполне определенным заключениям, выраженным им самим в прошении 1769 г. о выдаче привилегии следующим образом: "Мой способ уменьшить потребление пара, а следовательно, и топлива в огненных машинах (fire engines) основан на следующих положениях: во-1-х, тот сосуд (vessel), в котором сила пара употребляется для действия в машине и который называется цилиндром (cylinder) в обыкновенных огненных машинах, а я называю паровым сосудом (steam vessel), должен во все время работы машины поддерживаться столь же горячим, как и входящий в него пар, что может быть достигнуто: 1) покрывая его деревянной или иной оболочкой из материалов, дурно проводящих теплоту; 2) окружая его паром или другими нагретыми телами; и 3) не допуская ни воду, ни какое-либо другое вещество, более холодное нежели пар, входить или соприкасаться с ним в течение этого времени; во-2-х, в тех машинах, которые вполне или частью работают при помощи сгущения пара, пар должен быть сгущаем в сосудах (vessels), отдельных от цилиндров (cylinders), хотя по временам и сообщающихся с ними. Такиe сосуды я называю конденсаторами, или холодильниками (condensers), и они во время работы машины должны поддерживаться столь же холодными, как и окружающей воздух, посредством воды или других холодных тел; в-3-х, все то, что остается не сгущенным от холода в холодильнике, будет ли то воздух или другой упругий пар, должно быть извлекаемо из паровых сосудов (steam vessels) или холодильников (condensers) посредством насосов, движимых самими машинами или иным образом; в-4-х, я намерен во многих случаях пользоваться упругой силой пара для производства давления на поршень или на что-либо другое, заменяющее поршень, подобно тому как в обыкновенных огненных машинах пользуются давлением атмосферы. В тех случаях, когда не имеется в изобилии холодной воды, машины могут быть движимы одной только силой пара, посредством выпуска отработавшего пара на воздух". Еще в 1765 г., занимаясь исследованием модели маш. Ньюкомена, Ватт, преследуя свою основную мысль об устранении охлаждения стенок парового цилиндра, решил совершенно устранить доступ холодного наружного воздуха в цилиндр, заставив пар давить на поршень вместо воздуха и создав таким образом не "атмосферную", а настоящую П. машину простого действия. Небольшая модель такой машины была окончена в том же году, но, по неимению средств для построения машины, Ватт добыл привилегию и построил первую машину только в 1769 г. на средства доктора Ребука (Roebuck). Вскоре Ребук разорился, и только в 1774 г. Ватту удалось получить необходимые материальные средства, войдя в компанию с Матью Больтоном (Matthew Boulton), и заняться постройкой машин на основанном Больтоном заводе в Сого (Soho Works), близ Бирмингема. В 1782 г. Ватт взял патент на П. машину двойного действия, на долгое время послужившую блестящим образцом для подражания. Об этой машине Ватт говорит: "Мое первое из новых усовершенствований в паровых или огненных машинах состоит во впуске пара в цилиндры или паровые сосуды только на некоторой части или доле подъема или спуска поршня в цилиндре и в пользовании упругими силами, вынуждающими пар расширяться, с той целью, чтобы пар занимал все большие пространства и производил давление на поршень на протяжении остальных частей или долей хода названного поршня". "Мое второе усовершенствование П. или огненных машин (steam or fire engines) состоит в употреблении упругой силы пара для поочередного давления на поршень, как при его подъеме, так и при спуске, при помощи пустоты, производимой соответственно над или под поршнем". Таким образом, в новых машинах Ватта пар впускался по обе стороны поршня, при чем клапаны, впускающие пар, закрывались и производили прекращение впуска, или отсечку пара, когда поршень успевал пройти только некоторую долю полного хода, после чего на всем остальном протяжении пар расширялся подобно воздуху или другому газу, производя постепенно уменьшающееся давление на поршень. В машине двойного действия с расширением пара Ватт применил еще различные усовершенствования; так, в механизме машины заменил цепь, передававшую коромыслу движение от поршня, изобретенным им параллелограммом (см. Направляющие механизмы); применил центробежный регулятор для самодействующего управления ходом машины, соединив муфту регулятора с рычагом поворотной заслонки в пароприводной трубе; снабдил вал маховиком, т. е. заклиненным на валу колесом с тяжелым ободом, для преодоления так наз. мертвых точек, в которых шатун совпадает с направлением кривошипа и не может вращать вал. Введением вращающегося вала Ватт сделал П. машину всеобщим (универсальным) двигателем, пригодным для всякого рода работ. На черт. 4 (табл. I) показан общий вид машины с коромыслом, по типу машин Ватта. Чрезвычайно быстрому распространению машин Ватта очень много способствовала даровая поставка Больтоном и Ваттом своих машин, с правом на получение только одной трети сбережения в топливе, по сравнению с машиной Ньюкомена. В России П. машины Ватта впервые стали изготовляться на одном из олонецких заводов (Александровском), находившихся под управлением шотландца Карла Карловича Гаскойна. На олонецком заводе построена поставленная в 1820 г. Кларком на СПб. монетном дворе большая машина Ватта "силой против 60 лошадей", пользовавшаяся большой известностью. Ватту принадлежит общепринятое ныне измерение силы, или работы (точнее ? работоспособности), машины числом лошадей, которых машина может заменить. По преувеличенной оценке Ватта лошадь в состоянии производить непрерывно работу в 83000 англ. фунто-фут. в минуту, что соответствует 76,041 кг-м в секунду; эта мера работы машины, названная лошадиною силой, или паровой лошадью (horse-power, cheval-vapeur), принята в Англии; во Франции лошадиная сила принимается равной 75 кг-м в секунду, а в России, в русских мерах, 15 п.-фут. (74,887 кг-м, на 0,15% меньше 75 кг-м) в секунду. Дальнейшее развитие П. машин тесно связано с изучением действия в них пара.
II. Действие пара в П. машинах. В машинах без расширения пар впускается на всем протяжении хода поршня, следовательно, все время действует на поршень полным своим давлением. Это простейший способ действия пара в машинах. Если р ? давление пара на единицу площади, F ? площадь поршня и L ? путь, пройденный поршнем парового цилиндра, то сила, давящая на поршень, равна pF, а работа этой силы pFL. Здесь FL = V есть объем, описанный поршнем; если под поршнем находится единица веса воды, объема ? (удельный объем воды), то, во все время превращения этой воды в пар, давление р и температура t пара не будет изменяться, следовательно, пар все время будет действовать на поршень полной своей силой и вода, превратясь полностью в пар, произведет работу, равную р(s ? ?), где s есть объем пара, образовавшегося из воды. Пусть Q есть количество теплоты, расходуемое на полное превращение единицы веса воды в пар; тогда работа пара без расширения, на единицу затраченной теплоты, будет равна p(s ? ?)/Q. Для разных давлений пара эта работа на единицу теплоты будет различна, но различие не велико. Приняв, для упрощения расчета, Q = ?, где
? = 606,5 + 0,305 t
есть количество теплоты для превращения 1 кг воды при 0¦ в пар температуры t ¦, имеем, по данным Реньо:
Давление р в атмосф. 1 14 Работа p(s ? ?) в кг-м 17044 19862 p(s ? ?) = 26,76 29,82
При переходе от давления в 1 атм. к давл. в 14 атм., объем (s ? ?) уменьшается в 12 раз, но произведение p(s ? ?) изменяется сравнительно мало, увеличиваясь всего на 16,5%, а работа, p(s ? ?)/ ?, приходящаяся на единицу теплоты, изменяется еще меньше, увеличиваясь только на 11,4%. Для промежуточных давлений пара между 1 и 14 атм. получаются промежуточные величины, следовательно, работа без расширения, приходящаяся на единицу веса пара или единицу теплоты, мало зависит от давления пара и может считаться почти одинаковою для всех употребительных в практике давлений. Когда пар впускается в цилиндр только на известной доле хода поршня, то на остальном протяжении он расширяется, производя постепенно понижающееся давление на поршень и совершая при этом добавочную работу ? работу расширения. Последняя зависит от закона расширения пара; простейший из них есть закон Мариотта, довольно близкий к истине. Принимая этот закон; по которому давление во столько раз меньше, во сколько раз больше объем, можно вычислить добавочную работу х расширения, а следовательно, и полную работу (1 + х), принимая работу до расширения за единицу. Результаты показаны в следующей таблице:
I ? Расширение, II ? Сбережение топлива.
I 1,05 1,10 2 5 10 20 100 1 + х = 1,0488 1,0953 1,6931 2,6094 3,3026 3,9957 4,6052 1:(1 + х) = 1,9543 0,9130 0,59006 0,3832 0,3028 0,2503 0,1784 II 4,66% 8,7% 40,94% 61,68% 69,72% 74,95% 82,16%
Здесь под расширением разумеется отношение объема пара в конце расширения к объему до расширения. Из таблицы следует, что полная работа пара до и после расширения будет тем больше, чем больше расширения. Так, пар, расширившийся в объеме в 20 раз, даст полную работу в 4 раза больше, след., при работе с 20-м расширением для производства работы, одинаковой с работой без расширения, потребуется в 4 раза меньшее весовое количество пара и во столько же раз меньшее количество теплоты. Вообще если 1 + х есть полная работа пара с расширением, при работе без расширения = 1, то для производства одинаковой работы потребуется затратить в 1 + х раз меньше теплоты, нежели при работе без расширения, и теоретическое сбережение топлива, выраженное в процентах, будет [х/(1 + х)] 100.
Из таблицы видно, что в начале, при небольших расширениях, сбережение топлива возрастает довольно быстро, но потом все медленнее и медленнее. Достигая почти 62% при 5-м расширении, сбережение увеличивается всего на 8% при 10-м и на 13% при 20-м расширении; точно так же, составляя при 10-м около 70%, сбережение возрастает всего на 12% при 100-кратном расширении. А между тем, с увеличением расширения, объем парового цилиндра, в котором должен помещаться расширенный пар, довольно быстро возрастает, вместе же с объемом возрастает и стоимость машины. Для выполнения одинаковой работы при одинаковом давлении во время впуска, потребуется примерно в n/(1 + x) раз больший объем машины (цилиндра), где n есть расширение. Так, при 2-м расширении (n = 2), потребуется объем в 1,18, или на 18%, больший, а при 20-м объем в 5 раз больший. Следовательно, чрезмерно большие расширения невыгодны. В машинах без расширения, с увеличением давления пара, при одинаковой работе, объем машины весьма быстро уменьшается; так, при 14 атм. объем в 12 раз меньше объема при 1 атм. давления. Сказанное применимо и к машинам с расширением; в них тоже, с целью уменьшить объем и стоимость машины, следует увеличивать давление пара в котле. Было известно давно, что действительный расход пара значительно больше вычисленного теоретически, но причина этого различия долгое время не была разъяснена. Причина заключалась главным образом в том, что вес вычислялся по объему пара в цилиндре в конце впуска, предполагая объем этот наполненным сухим насыщенным паром; в действительности же часть впускаемого в цилиндр пара всегда сгущается в воду, вследствие соприкасания со стенками цилиндра, охлажденными во время выпуска пара. Объем воды, при одинаковом весе, незначителен в сравнении с объемом пара; пренебрегая первым, можно сказать, что если бы напр. весь объем впущенного в цилиндр пара сгустился в воду, то для заполнения образовавшейся пустоты потребовалось бы впустить еще такое же количество пара, и тогда действительный расход оказался бы вдвое более теоретического. В машинах с расширением пара стенки цилиндра охлаждаются не только во время выпуска, но и во время расширения, поэтому в них сгущение пара при впуске тем значительнее, чем больше расширение. Вследствие этого ? выгода от применения больших расширений ? на деле оказывается еще менее ожидаемой теоретически. Путем опыта для каждой машины можно найти определенное расширение, дающее наибольшее сбережение топлива; при дальнейшем увеличении расширения сбережение не возрастает, а напротив начинает убывать. Применение очень больших расширений невыгодно еще и по другим причинам: вследствие слишком большого различия между давлениями пара в начале и конце расширения увеличивается неравномерность хода машины; частям машины приходится придавать размеры, способные прочно выдерживать давление пара при впуске, несоразмерно большое в сравнении с тем, которое требовалось бы для той же самой работы при более постоянном давлении на поршень. Все перечисленные недостатки, препятствующие применению больших расширений в одноцилиндровых машинах, или машинах однократного расширения, в значительной мере уменьшаются в так назыв. многоцилиндровых машинах, или машинах кратного расширения. В этих машинах впуск пара из котла производится в один только первый цилиндр, наименьший по объему, назыв. малым цилиндром, или цилиндром высокого давления (сокращ. М. Ц. или, по-англ., HP ? High Pres sure Cylinder); частью расширившись в нем, пар выпускается в промежуточный резервуар, ресивер (receiver); ресивер можно уподобить промежуточному котлу, из которого питается паром следующий, второй цилиндр машины, больший по объему, в котором пар, после впуска, продолжает расширяться и затем выпускается во второй ресивер, а из него в третий цилиндр, еще больший по объему и т. д. Последний, наибольший по объему цилиндр, называется большим цилиндром, или цилиндром низкого давления (Б. Ц. или LP ? Low Pressure Cyl.). Из него, после окончательного в нем расширения, пар выпускается наконец в холодильник или прямо на воздух, в машинах без охлаждения; остальные цилиндры машины называются промежуточными, или цилиндрами среднего давления (С . Ц. или IP ? Intermediate P ressure Cyl., первый ? First, второй ? Second). Более 4-х цилиндров не бывает ? такие машины называются 4-цилиндровыми, или машинами 1-го расширения (quadruple-expansion engines); чаще применяются машины 3-цилиндровые, или тройного расширения (triple-expa n sion), a в особенности машины двухцилиндровые, или компаунд (compound engines); название машин компаунд, или машин сложной системы, применяется иногда и вообще ко всем машинам кратного расширения. В двухцилиндровых машинах Вульфа (Woolf) кривошипы располагаются иногда в одном направлении (под углом в 0¦) или в прямо противоположном (180¦). Они нередко не имеют ресивера; но при расположении кривошипов под прямым углом (90¦), способствующем равномерности хода, ресивер необходим, хотя иногда, как, напр., в паровозах, он состоит из одной только соединительной трубы, умышленно удлиненной, с целью увеличить объем ресивера. Так как в многоцилиндровых машинах вполне расширенный пар помещается в большом цилиндре, то размеры большого цилиндра будут те же самые, как и в одноцилиндровой, такой же силы и с таким же расширением, но происходящим в одном цилиндре, вместо последовательного расширения в нескольких цилиндрах. Объем малого цилиндра составляет 1/2?1/4 объема большого, в двухцилиндровых 1/6?1/7 в трехцилиндровых машинах. Преимущества машин компаунд, или машин кратного расширения, заключаются в более равномерном распределении давлений пара на поршни П. цилиндров и в значительном уменьшении потерь от сгущения пара, вследствие меньшего различия температур впуска и выпуска в каждом из цилиндров, а также вследствие того, что выпуск в холодильник происходит только из последнего цилиндра машины. По указанным причинам в этих машинах с выгодой применяются более значительные расширения пара. Расход пара, достигая 26?30 кг и более на лошад. силу в час в машинах с расширением без охлаждения и 15?20 кг в машинах с охлаждением (с холодильником), понижается примерно до 10?12 кг в машинах двойного расширения с охлаждением и составляет иногда только 6 кг в машинах тройного расширения с охлаждением. Машины компаунд двойного действия предложены Вульфом в 1804 г. После весьма успешного применения системы компаунд к пароходным машинам, она вскоре с не меньшим успехом была применена к заводским машинам, а потом и к паровозам. Во всех машинах с значительным расширением пара, как одноцилиндровых, так и многоцилиндровых, для сбережения топлива полезно применять сжатие пара, обогревание цилиндра паром и перегрев пара. Сжатие пара после прекращения выпуска оказывает полезное влияние на уменьшение сгущения пара при впуске, так как при сжатии вместе с давлением повышается и температура пара, вследствие чего стенки цилиндра перед впуском подогреваются сжимаемым паром. На выгоды применения П. рубашек и перегретого пара особое внимание обратил Гирн (H irn), произведший, со своими учениками и последователями, многочисленные опыты. По учению Гирна, явление обмена теплотой между паром и стенками цилиндра представляется в следующем виде: во время впуска пар отдает значительную часть теплоты стенкам цилиндра, вследствие чего происходит сгущение части пара в воду; сгущение продолжается и в начале расширения, но затем, вследствие понижения давления и темп. расширяющегося пара, пар начинает отнимать теплоту от стенок, отчего некоторая часть сгустившегося в воду пара снова испаряется и увеличивает работу расширения; остальная же часть, не успевшая испариться, продолжает испаряться во время выпуска, охлаждая стенки цилиндра и отнимая от них теплоту непроизводительным образом; это "охлаждение в холодильник" (refroi d issement au condenseur) представляет прямую потерю, тем более значительную, чем больше было сгущение пара при впуске, следовательно, чем больше различие температур между впускаемым и выпускаемым паром и чем значительнее расширение пара. На величину этого обмена теплотой оказывает значительное влияние охлаждение или обогревание стенок снаружи; обогревание паром из котла, впускаемым в кольцеобразное пространство между паровым цилиндром и окружающей его наружной металлической оболочкой, в виде цилиндра, называемого паровой рубашкой, или кожухом, оказывает полезное влияние на сбережение пара и топлива, уменьшая сгущение пара при впуске и ускоряя испарение сгустившегося в воду пара во время расширения. Применение перегретого пара оказывается еще более полезным, так как при надлежащем перегреве можно совершенно устранить сгущение пара. Распространению его препятствует до известной степени трудность поддержания надлежащей темп. перегрева, которая, чрезмерно повышаясь, оказывает дурное влияние на смазывающие вещества и набивки сальников, а чрезмерно понижаясь, приводит к нулю ожидаемую от перегрева выгоду. Опыт показывает также, что в машинах кратного расширения полезно обогревать пар, проходящий через ресиверы, посредством пара из котла, снабжая ресиверы паровыми рубашками или же трубками, внутрь которых пускается пар из котла.
III. Парораспределительные и регулирующие приборы. Простейший парораспределительный прибор есть обыкновенный коробчатый золотник, имеющий вид опрокинутой вверх дном металлической коробки.
ПАРОВЫЕ МАШИНЫ IV.
Золотник (черт. 1, 2 табл. IV) при движении закрывает или открывает каналы fg и de, ведущие пар по ту или другую сторону поршня. Каналы эти проделаны в сильно утолщенной стенке цилиндра, снабженной посредине еще одним "выпускным каналом" О, по которому отработавший ("мятый") пар выпускается в холодильник или атмосферу. Снаружи утолщенная стенка снабжена хорошо обработанной плоскостью ("стол", или "зеркало"), по которой скользит золотник своими закраинами, плотно пригнанными к плоскости скольжения, так что пар, подводимый из котла трубой D и наполняющий "золотниковую коробку" СЕ, не может проникнуть в каналы, перекрываемые золотником. На черт. 1 показан впуск пара снизу и выпуск сверху; на черт. 2 наоборот. На черт. 3, т. IV показаны главнейшие положения I ? V золотника и поршня, в предположении, что золотник приводится в движение обыкновенным "круглым" эксцентриком, диск которого заклинен на валу машины так, что эксцентриситет Oа 0 , находится впереди кривошипа ОА 0 , в направлении вращения, под углом в 90¦, сложенным с добавочным углом ?, называемым "углом опережения" эксцентрика. Пренебрегая наклонами шатуна и эксцентриковой тяги, можно принять, что основания р и g перпендикуляров, опущенных из точек А и a, определяют положения поршня и золотника. Золотник в "среднем положении" своими "наличниками" одинаково перекрывает оба "впускные окна" a,a, снаружи на величину "внешних перекрытий" и изнутри, со стороны среднего "выпускного окна", а 0 , на величину i "внутренних перекрытий". При вращении вала О любая точка золотника перемещается из своего среднего положения на величину
? = Oq,
которую легко построить на чертеже для любого заданного положения кривошипа OA . Крайние "мертвые" положения поршня означены прерывными линиями, а стрелки показывают направления движения поршня и золотника. Положение I соответствует "началу впуска" (или "концу сжатия"), когда при движении золотника только что снимается внешняя перекрыша е, так что при дальнейшем движении тотчас же начинает открываться впускное окно. Положение II соответствует "опережению впуска и выпуска", при мертвых положениях поршня. Положение III означает "конец впуска" (или "начало расширения"), положение IV "начало выпуска" (или "конец расширения"), a V ? "конец выпуска" (или "начало сжатия"). Итак, впуск пара начинается раньше, нежели поршень дошел до мертвого положения, так что в мертвом положении впускное окно уже открыто на некоторую величину, называемую "линейным опережением впуска". То же самое относится и к выпуску. Опыт показал, что от начала впуска протекает некоторое время до достижения паром в цилиндре наибольшего давления; "опережение впуска" делается с таким расчетом, чтобы при мертвом положении поршня пар уже давил на него своей полной силой. По той же причине устраивается "опережение выпуска", чтобы к началу обратного движения поршня из мертвого положения пар достиг наинизшего давления и оказывал бы наименьшее препятствие движению поршня. Коробчатый золотник давлением пара сильно прижимается к "столу", по которому он скользит. Вследствие происходящего от этого трения требуется значительное усилие для передвижения золотника. Для уменьшения работы на передвижение золотника, составляющей примерно от 2% до 5% полной работы машины, применяются "уравновешенные золотники". Один из лучших способов уравновешения состоит в устранении части давления пара на "спинку" золотника, посредством ограждения от доступа пара круговой площади на спинке особым "уравновешивающим кольцом", обыкновенно бронзовым, помещаемым на спинке в круговом желобе и плотно зажатым между спинкой и крышкой посредством пеньковых или асбестовых "набивок" на дне желоба, снабжаемых нередко металлическими прокладками и стальными пружинками, для плотного нажатия кольца к крышке. Для устранения скопления пара в "уравновешенном пространстве" внутри кольца, в случае незначительных протеков пара, пространство это сообщается с холодильником (или атмосферой) небольшим отверстием в спинке, ведущим во внутреннюю полость золотника, или же особой трубкой, сообщающей уравновешенное пространство с холодильником.
ПАРОВЫЕ МАШИНЫ V.
На черт. 2 (табл. V) показано (в разрезе) одно из лучших устройств этого рода, в применении к двойному золотнику Мейера (см. далее); для устранения протоков пара между уравновешивающим кольцом ее и крышкой, кольцо прижимается к крышке двумя крестообразно укрепленными на спинке АА золотника (точнее на особой доске, составляющей одно целое с золотником) стальными пружинами ff, а для устранения боковых протоков пара прикрепляется снизу, под кольцом, особая, тониной в лист писчей бумаги, металлическая (железная или стальная) упругая перепонка, в виде плоского кольца с выдавленным посредине, вдоль всей окружности кольца, полукруглым желобком; перепонка эта своей внутренней закраиной плотно зажимается между кольцом ее и привинченной к кольцу бронзовой кольцевой накладкой, а внешней закраиной между подобной же накладкой и закраиной короткого цилиндра на спинке (или доске АА). Упругая перепонка применена Дау и Хольтом (Dawe and Holt) с целью устранить протоки пара, происходившие от неплотности набивок и от жесткости устройств, препятствовавшей плотному прилеганию кольца к крышке при движении золотника ? прилеганию, возможному только при весьма трудно достижимом безусловном параллелизме между "столом" и крышкой. Существенным усовершенствованием является также контрольный кран (черт. 3, табл. V) с тремя ходами, ввинчиваемый в крышку золотниковой коробки и сообщающей уравновешенное пространство с трубкой, ведущей в холодильник; при повороте рукоятки крана на прямой угол прекращается сообщение уравн. пространства с холодильником и устанавливается сообщение с верхним узким каналом и ввинченным в него небольшим пробным кранчиком, открывая который можно накладыванием пальца тотчас убедиться в исправности прибора, так как тогда палец будет всасываться внутрь давлением наружного воздуха; при неисправности прибора поворотом крана прекращают сообщение с холодильником. Другой весьма употребительный способ уравновешения состоит в применении "трубчатых" или "поршневых" золотников, коими достигается полное уравновешение. На черт. 7 табл. IV показан трубчатый золотник; пар из котла обыкновенно впускается по трубе А, а отработавший пар выпускается по трубе В. Нередко трубчатый золотник заменяется "поршневым", состоящим из двух поршней на одном общем стержне или штоке; поршни заменяют "наличники" золотника, перекрывая впускные окна, охватывающие всю окружность трубы. Обыкновенным золотником с круглым эксцентриком практически неудобно производить сколько-нибудь значительное расширение пара, которое достигается здесь только при помощи больших внешних перекрытий, влекущих за собой большую длину всего золотника и большую длину его хода; поэтому, для значительных расширений пара применяются "двойные золотники", из которых наиболее распространен "золотник Мейера" (черт. 8, табл., V); в нем все парораспределение совершается обыкновенным коробчатым золотником; для производства же отсечки золотник снабжается двумя металлическими пластинками с, d, скользящими по спинке золотника, которыми можно прекращать впуск пара ? производит отсечку в любой момент раньше отсечки, производимой "нижним", или "распределительным", золотником. Эти две отсечные пластинки, закрепленные в золотнике Мейера на одном общем стержне и передвигаемые по спинке отдельным эксцентриком, образуют так называемый верхний, расширительный, или отсечный, золотник. Вращением стержня, при помощи маховичка е, можно раздвигать или сдвигать пластинки с, d, прекращая раньше или позже впуск пара через боковые каналы a, b нижнего золотника. Золотником Мейера можно производить отсечку пара в любой момент от начала до конца впуска пара нижним, распределительным золотником. Для уравновешения золотника с Мейеровскими отсечными пластинками, уравновешивающее кольцо прикрепляется не к спинке, а к особой доске АА (черт. 2 табл. V), образующей подобие крыши металлического навеса, под которым движется отсечный золотник. Дальнейшие усовершенствования парораспределительных приборов тесно связаны со способами управления ходом машины. Вполне равномерное движение машины возможно только при постоянном равенстве между работой движущих сил и работой сопротивлений, полезных и вредных, для преодоления которых она назначена. Всякий избыток движущей силы производит ускорение, а недостаток ? замедление хода машины. Периодически повторяющаяся неравномерность движения, от изменения силы и сопротивления во время каждого оборота вала, легко, если не уничтожается, то умеряется, в случае надобности, маховиком достаточного диаметра и веса. Но никаким маховиком нельзя устранить непрерывное возрастание скорости хода при постоянно возрастающем избытке работы силы над сопротивлением и наоборот. Поэтому необходимо, помимо маховика, управлять ходом посредством изменения работы пара сообразно с работой сопротивлений. Простейший способ дан Ваттом и состоит в прикрывании заслонки, или задвижки, клапана, крана, в пароприводной трубе. Но при таком способе заслонка должна быть прикрыта и давление пара в машине значительно понижено даже и при нормальном (обыкновенном) ходе машины, с целью достижения возможности открыванием клапана увеличить работу пара в случае возрастания сопротивлений. Такой способ регулирования хода ныне признается невыгодным, по мнению Грасгофа и Цейнера, гл. обр. потому, что при нем прочность котла и машины должна быть рассчитана не на нормальное давление, а на давление значительно большее, нужное только в исключительных случаях (Grashof, "Theoretische Maschinenlehre", III т., стр. 504, 572 и след.). Посему в настоящее время наиболее употребителен способ регулирования хода изменением продолжительности впуска пара. В большинстве случаев, в заводских машинах, управлению ходом от руки машиниста должно предпочесть самодействующее управление ходом самой машиной, достигаемое при помощи центробежных регуляторов. Один из весьма распространенных регуляторов, а именно американский регулятор Портера (Porter) изображен схематически на черт. 11, т. V; в нем вес шаров и связанной с ними грузной грушевидной муфты поддерживается в желаемом положении вращением оси регулятора с надлежащей, скоростью, тем большей, чем значительнее должны быть удалены шары от оси вращения. Откладывая перпендикулярно к оси регулятора, для разных положений муфты и шаров, линии СК, С 1 К 1 , С 2 К 2 , изображающие равновесные скорости вращения, соответственные этим положениям шаров и муфты, можно по виду кривой K 1 , K, K 2 , различной в регуляторах разного устройства, судить об "устойчивости" регуляторов. В применении к двигателям регуляторы тем устойчивее, чем значительнее возрастает равновесная скорость по мере раздвижения шаров; "астатические" регуляторы, с постоянной равновесной скоростью, совершенно неустойчивы и непригодны для службы. Регулятор Портера (черт. 1, 2, табл. II), Уатта (черт. 4, табл. I; черт. 3 табл. II) и проч. принадлежат к числу весьма устойчивых ("статических") регуляторов.
ПАРОВЫЕ МАШИНЫ II.
1. Горизонтальная паровая машина с парораспределением Зульцера. 2. Горизонтальная паровая машина Вульфа. 3. Вертикальная паровая машина.
В "псевдостатических" регуляторах, каковы регулятор Клея с перекрестными ручками (черт. 5, т. I), регулятор Прелля (черт. 9, т. I) и другие, кривая равновесных скоростей имеет вид, изображенный, на черт. 12, т. V, сплошной линией. При известном положении С а муфты, ниже допускаемого полного "хода" ее C 1 C 2 , кривая имеет касательную, параллельную оси в точке К а (точка псевдоастатизма); при неумелом выбор размеров эта точка может оказаться не только в пределах хода муфты, но даже и выше, как показывает прерывная линия, и тогда регулятор будет совершенно непригоден для службы. Правильно устроенные псевдоастатические регуляторы выгодны в том отношении, что при одинаковой "степени равномерности регулятора", при одинаковой разнице скоростей для наибольшей и наименьшей нагрузки машины и одинаковом весе и размере в высоту, они "чувствительнее" статических, т. е. начинают действовать при более незначительном изменении скорости машины; но зато они менее устойчивы и обыкновенно нуждаются в особом приборе (катаракта) для устранения или ограничения сильных колебаний шаров и муфты при нарушении равновесия. Для повышения чувствительности стремятся регулирующий прибор устроить так, чтобы он наименьше сопротивлялся его передвижению регулятором. С этой целью американец Райдер (Rider) придумал особое видоизменение Мейерова золотника, облегчающее управление отсечкой пара посредством тяги от муфты регулятора (черт. 6, т. V). На Лондонской всемирной выставке 1862 г. впервые появилась в Европе горизонт. П. машина американца Корлиса (Corliss), которой суждено было совершить переворот в устройстве П машин. Ее особенности заключались: 1) в четырех отдельных цилиндрических кранах, двух вверху для впуска с каждой стороны и двух внизу для выпуска; 2) в особом "парораспределении с мгновенной отсечкой пара" (Pracisions Steuerung) и 3) во внешнем виде машины, в которой обыкновенная чугунная станина или рама, для прикрепления цилиндра и подшипника главного вала, была заменена "штыковой балкой", или "балкой Корлиса" (табл. I, черт. 6 и 7; табл. II, черт. 1 и 2), с направляющей трубой для движения "крестовины", сочленяющей поршневой стержень с шатуном. Следующая простейшая схема (черт. 5, табл. V) служит для выяснения мысли, положенной в основу парораспределительного прибора Корлиса. Пусть ось О впускного крана снабжена для открывания "храповиком", в зубцы которого упирается "собачка" С, движимая машиной при посредстве эксцентрика Э. Двигаясь в направлении стрелки, собачка открывает впускной кран до тех пор, пока не произойдет ее расцепление с храповиком, действием регулятора, о муфту которого, положим, ударяется отогнутый хвост собачки. После расцепления кран тотчас запирается действием груза Т. Всякий подобный прибор состоит из двух частей весьма разнообразного вида и устройства: части движущей (активной) ? на схеме эксцентрик Э ? и части движимой (пассивной) ? на схеме храповик ? заимствующей движение от первой только при сцеплении "упорок", причем в определенный момент происходит их расцепление, производимое надлежащим приводом от муфты регулятора, после чего впускной прибор (кран, клапан) закрывается действием посторонней силы: груза, пружины, давления воздуха или пара и проч. В приборе Корлиса (черт. 7, табл. I и черт. 4, табл. V) движущая часть состоит из парораспределительного диска Е, черт. 4, движимого эксцентриком на валу машины; от него движутся как нижние выпускные краны, так и верхние впускные, причем расцепление упорок производится тягами Н, Н от муфты регулятора. В клапанном распределении Зульцера (Sulzer) (черт. 10, т. V) движущая часть состоит из эксцентрика с на особой оси, вращаемой от главного вала с одинаковой с ним скоростью. Упорка b, движимая эксцентриком С, в надлежащий момент сбрасывается с оконечности d рычага для подъема впускного клапана G особым, довольно сложным, приводом от муфты регулятора, с которой связана тяга q, после чего клапан тотчас запирается пружиной S. Прибор Вилока (Wheelock; черт. 9, табл. V), отличается своеобразным расположением всех четырех кранов Корлиса внизу, внутренних для впуска и внешних для выпуска. Прибор Фрикара (черт. 9, табл. I) дает возможность производить отсечку пара в очень широких пределах, тогда как прибор Корлиса не бoлее 1/2 хода (обыкновенно до 0,35?0,4 хода) В приборе Кольмана (Collmann), черт. 7 табл. V, и черт. 5 табл. I, движущая часть состоит из парораспределительной оси, эксцентрика и качаемого им рычага на оси D. Упорки состоят из двух дисков на верхнем колене GH шарнирного стержня FGH ? шарнир Н которого прикреплен к стержню впускного клапана, a F ? к рычагу. Колено GH составное, из трубки со вставленным в нее стержнем, так что при расцеплении дисков может изменяться в длине. Расцепление дисков производится стержнем LG, отклоняющим вправо средний шарнир G тем значительнее, чем выше находится муфта L на качающемся вправо и влево продолжении М эксцентриковой тяги. Перестановка муфты L производится тягой от муфты регулятора, перестанавливающей рычаг EN и тягу NI. Приборы Кольмана, Брауна, Гартунга, Прелля и др. отличаются "вынужденным движением клапанов", не только при подъеме, но и при спуске, так как расцепление дисков происходит всегда только в самый момент закрытия клапана. Продолжительность впуска зависит от продолжительности времени сцепления дисков. Для машин со значительным числом оборотов (80?120 в мин.) такие приборы пригоднее приборов со "свободным движением" клапанов или кранов, каковы приборы Корлиса, Зульцера и пр. Достоинства парораспределений с "мгновенной отсечкой пара" состоят в уменьшении вредного пространства, наполняемого паром при мертвых положениях поршня, и в быстроте саморегулирования. Но отсечка не происходит "мгновенно"; притом приборы сложны и нуждаются в умелом обращении с ними.
IV. Типы П. машин. Теоретически пар. машиной следует считать всякий прибор, в котором, теплотой, при посредстве пара, производится механическая работа. В действительной жизни, однако, под этим общим именем разумеют обыкновенно универсальный (всеобщий) двигатель, пригодный для всякого рода работ, в отличие от специально водоподъемных машин, вроде пульсометров, от различных пароструйных приборов (инжекторов, эжекторов), от переносных машин (локомобилей), пароходных и паровозных машин и прочих, имеющих специальное назначение, например прокатных, рудничных. От П. машин обыкновенного устройства, с прямолинейно движущимися поршнями, отличают также "коловратные" (ротативные) машины с вращающимися поршнями, непосредственно вращающими главный вал, и машины с особым действием в них пара ? П. турбины, или турбомоторы. Паровые машины разделяются по способу действия в них пара (машины с расширением и без расширения, с охлаждением и без охлаждения), по расположению цилиндров (машины горизонтальные, наклонные и вертикальные), по пароопределительным приборам и пр. По числу цилиндров ? на машины сдвоенные, с двумя цилиндрами и кривошипами под прямым углом, строенные, с тремя цилиндрами и кривошипами под равными углами в 12 0 ¦ и на машины 2-го и 3-го расширения; в последних нередко цилиндр высокого давления или же цилиндр низкого давления разбивается на два равных цилиндра, с одинаковым давлением и действием в них пара. На черт. 3, табл. II, изображена вертикальная стенная машина без охлаждения, с цилиндром А внизу станины; поршень В, при посредстве шатуна Р и кривошипа Q, вращает главный, или коренной, вал, от которого движение, при помощи зубчатых колес или шкивов с ремнями, может быть передано самым разнообразным станкам и машинам. Парораспределение производится простым коробчатым золотником в коробке K, движимым круглым эксцентриком f на валу машины. Управление ходом производится центробежным регулятором a, действующим, при посредстве тяги b от муфты h, на рукоять поворотной заслонки в пароприводной трубе E. Машина снабжена маховиком х и питательным насосом О. Одноцилиндровая горизонтальная машина с охлаждением и клапанным парораспределением Зульцера, показана на черт. 1, табл. II. Она снабжена корлисовской балкой a с трубой, в которой движется крестовина, снабженная вверху и внизу "ползунами", т. е. металлическими пластинками, скользящими по стенкам трубы и направляемыми ею. При посредстве крестовины движение от штока или стержня b П. поршня передается шатуну с, кривошипу e и коренному валу f, снабженному грузным маховиком. Холодильник помещен внизу под полом; воздушный насос холодильника приводится в движение машиной, от продолженного штока b поршня, снабженного ползуном h, скользящим в особой направляющей, и качающим, при посредстве стяжки i, рычаг или коромысло воздушного насоса холодильника. Управление ходом производится центробежным регулятором Портера k, действующим на парораспределительный прибор (черт. 10, табл. V), дающий отсечку в пределах от 0 до 0,9 хода. На черт. 7, табл. I показана одноцилиндровая горизонтальная машина с парораспределением Корлиса и холодильником, снабженным двумя воздушными насосами простого действия, получающими движение от эксцентрика главного вала, при посредстве коромысла, помещенного посредине корлисовской балки. Черт. 2, т. II изображает двухцилиндровую машину "тандем" Вульфа (англ. tandem ? гуськом, друг за другом), с цилиндром высокого давления впереди; поршни насажены на общий шток. Внизу, под полом, помещены вертикальный ресивер и холодильник a, воздушный насос которого, при помощи рычага или коромысла, приводится в движение крестовиной. Регулятор изменяет отсечку только в 1-м цил. высокого давления. Горизонтальная машина компаунд, с парораспределением Кольмана, дающим отсечку от 0 до 0,8 хода, изображена в плане на черт. 6, табл. I. Кривошипы под прямым углом заклинены на оконечностях главного вала, снабженного посредине маховиком с желобчатым ободом, для передачи движения пеньковыми канатами. Горизонтальный ресивер R помещен внизу, под полом, так же и холодильник, получающий движение от штока малого цилиндра (высокого давления). Вертикальная машина тройного расширения, пароходного типа, с цилиндрами наверху станины, показана на черт. 8, табл. I. Отсечка изменяется регулятором только в малом цилиндре, высокого давления. Стремление непосредственно приводить в движение быстровращающиеся "динамо-машины" для электрического освещения и др. целей, привело к новому типу "быстроходных П. машин". Одна из них, вертикальная компаунд-машина Вестингауза (Westinghouse) изображена на табл. III.
ПАРОВЫЕ МАШИНЫ III. Быстроходная паровая машина компаунд Вестингауза. ? Вертикальная паровая машина компаунд с динамо-машиной.
Это машина простого действия, с целью производить давление на поршни и кривошипы, или колена вала, только в одном направлении, для устранения ударов в шарнирных сочленениях. Шарниры прикреплены непосредственно к поршням, причем поршень большого цилиндра направляется особой трубой, а поршню малого, с той же целью, придана значительная длина. Колена вала снабжены уравновешивающими их противовесами. Вал помещен в закрытой камере, наполненной до половины водой, со слоем смазочного масла, для обильной непрерывной смазки подшипников и всех шарнирных сочленений. Парораспределение производится помещенным вверху горизонтальным трубчатым золотником, получающим движение от эксцентрика, перестанавливаемого на виду, для изменения отсечки особым центробежным регулятором, так наз. "плоским регулятором", или "регулятором в маховике". На той же таблице показана большая вертикальная машина компаунд с охлаждением, в 800 сил, при 160 оборотах в минуту, вращающая большую динамо-машину Шукерта. Смазка в ней производится, как в современных пароходных машинах, системой трубок, подводящих масло из особых ящиков или резервуаров, прикрепленных к станине между цилиндрами. Трубки эти подводят масло, непрерывно капающее из отверстий в дне ящика, к масленкам, доставляющим смазку ко всем движущимся частям машины. Ротативные, или "коловратные", П. машины не получили сколько-нибудь значительного распространения. Главной причиной их сравнительно малого успеха является быстрая изнашиваемость вращающихся поршней, или лопаток, влекущая за собой значительный расход пара, вследствие пропускания его поршнями через зазоры между ними и стенками цилиндра или барабана. В некоторых из них вращается не вал с поршнями или лопатками, а барабан, служащий одновременно маховиком и ременным шкивом.
V. Определение размеров П . машин. Ограничимся определением размеров обыкновенных одноцилиндровых машин двойного действия. Пусть F ? площадь поршня в кв. м, d ? диам. и l ? ход в м; с ? средняя скорость поршня в м в секунду; N n ? число действительных, или полезных, сил, который доставляет машина, a N i ? число индикаторных лош. сил, т. е. сил, показываемых индикатором (см. далее) и развиваемых паром в цилиндре, причем часть работы пара расходуется бесполезно на преодоление сопротивлений в самой машине, вследствие чего N n всегда меньше N i . Отношение
? = N n /N i
есть машинный коэфф. полезного действия. Если pi среднее движущее давление пара на поршень, выраженное в атмосферах, то:
752N i = 10000p i Fc... (1)
Приблизительно, в машинах с весьма незначительным сжатием пара, от которых отличаются машины с парораспределением кулисами, дающими значительное сжатие, можно принять, для вычисления p i следующую приближенную формулу [В пределах от x = 1 до x = 20, с погрешностью не более 4,5%. можно принять:
(1 + log.nat.x)/x = 9/(7 + 2x)]
p i = (9/[7 + 2x])p ? p'... (2)
где р ? полное давление пара при впуске, в атм.; р' = 1,2 в машинах без охлажд. и р' = 0,22 в маш. с охлаждением; х = l/l 1 , где l 1 есть часть полного хода, на которой происходит впуск пара. Для наивыгоднейшего пользования паром в одноцилиндровых машинах не следует брать х слишком большим и приблизительно можно принимать:
x = p/a... (3)
где a = 1,5 до 1,2 в маш. без охл. и a = 0,8 до 0,6 в маш. с охл. Если р 0 есть давление пара в котле, в атм. по манометру, то можно принять:
р = 0,9(p 0 + 1) ?0,5... (4)
Число n оборотов в минуту связано с с и l уравнением:
nl = 30c... (5)
Коэффиц. ? = N n /N i главным образом зависит от качества выполнения машины. При определении размеров можно приблизительно принять
? = 0,63 + 0,23[N n /(N n + 20)]... (6)
Расход Q пара, в кг в час, слагается, во 1-х, из полезного расхода на наполнение объема при впуске сухим паром; этот расход, для приблизительного расчета, можно принять равным
14(p/p i )(l 1 /l + m)N i ,
где mFl есть объем "вредного" пространства, заполняемого паром при мертвом положении поршня; во-2-х, из расхода на сгущение пара при впуске, не поддающегося точному расчету. Грубым образом, можно считать этот расход составляющим около
(1 ? p'/p)(1/c)
предыдущая расхода, так что полный расход:
Q = 14(p/p 1 )(l 1 /l + m)[1 + (1 ? p'/p)(1/c)]N i ... (7)
Пример. Определим размеры одноцил. маш в 100 сил, с охлаждением, при давлении в котле в 95 фн. (англ.) по манометру. Давление в 95 фн. соответствует р 0 = 95/14 = 6,33 атм. и тогда, по форм. (4):
p = 0,9(6,33 + 1) ? 0,5 = 6 (приблиз.).
Принимая х = l/l 1 = 10 (уравнение 3), находим, по форм. (2):
pi = [9/(7 + 20)]6 ? 0,22 = 2 ? 0,22 = 1,78 атм.
Далее, при N n = 100, по форм. (6), находим ? = 0,82, след., N i = 122, а по форм. (1):
Fc = 0,514.
Скорость с в обыкновенных машинах, бывает от 1 до 2,6 м; принимая с = 2 м, находим:
F = (? /4)d 2 = 0,257,
откуда d = 0,572 м., или d = 57,2 см = 57,2 × 0,394 = 22 1/2 дм.
Ход l берется в пределах от d до 3d. Принимая
l = 2d = 1,144 м = 45 дм.,
находим по форм. (5) число оборотов n машины в минуту: n = 42.
Если требуется большее число оборотов, то этого можно достичь увеличением с и уменьшением l. Так, напр., принимая в предыдущем примере с = 2,5 м, найдем:
F = 0,2056; d = 0,51 м, и, если l = 1,5d = 0,765 м, то n = 98.
Принимая m = 0,05 (m = 0,03 до 0,1, в зависимости от конструкции парораспределительного прибора) и скорость с = 2 м, определим расход пара по форм. (7):
Q = 10,5× 122 = 1281 кг в час.
Увеличивая этот расход еще на 10% для расходования пара в паровые рубашки и проч. находим окончательно Q = 1410 кг в час.
VI. Испытания П . машин. Индикатор и индикаторные диаграммы. Обыкновенное испытание П. машины состоят в определении расхода топлива, количества питательной воды и числа индикаторных сил машины. Расход топлива определяется взвешиванием на десятичных весах его порций, забрасываемых в топку во время опыта. Количество питательной воды определяется или непосредственным взвешиванием, или расходованием из заранее обмеренных баков (ящиков или резервуаров), снабженных указателями или шкалами, показывающими объем расходуемой воды; можно пользоваться и водомерами, но только после тщательной их выверки до и после опыта. Давление пара в котле и положение уровня воды должны наблюдаться во все время опыта через точно определенные промежутки времени, причем давление поддерживают по возможности без изменения, а уровень воды к концу опыта доводят до высоты, бывшей в начале опыта. Погрешности от несоблюдения последнего условия, а также и не вполне точного приведения слоя топлива на колосниковой решетке и силы огня к одинаковым условиям в начале и в конце опыта, тем менее влияют на результат, чем продолжительнее опыт. Измерение индикаторной работы производится индикатором. Основная мысль его устройства весьма проста: если паровой цилиндр соединить возможно короткой и достаточно широкой трубкой с другим маленьким цилиндром, в котором производимое паром на поршенек давление уравновесить давлением пружины с противоположной стороны и затем к оконечности стержня поршенька прикрепить карандаш, перед которым двигать бумагу вперед и назад так, чтобы она перемещалась под прямым углом к движению карандаша и притом пропорционально перемещениям поршня машины, то карандаш начертит на бумаге кривую линию, по которой можно определить, для всякого положения поршня, величину давления пара, уравновешиваемого пружиной, совершенно так, как определяется груз взвешиванием его на обыкновенных пружинных весах. Вместо поступательного движения бумаге можно придать вращательное, навернув ее на цилиндрический барабан. Для машин со значительной скоростью необходимо уменьшить влияние инерции поршенька и связанных с ним масс на показания индикатора, для чего должно брать более тугие пружины, ограничивающие размах, а следовательно, и скорость движения поршенька. Но с целью не уменьшать при этом высоты перемещения карандаша, последний прикрепляют к особому направляющему механизму, связанному с поршеньком и устроенному так, что карандаш перемещается в одинаковом с поршеньком направлении, но проходя в несколько раз больший путь. На черт. 1, табл. V изображен весьма распространенный индикатор Ричардса (Richards). В нем карандаш Z прикреплен к направляемой прямолинейно точке механизма, называемого параллелограммом Ватта. Оси q, q 1 рычагов g, g 1 параллелограмма прикреплены к отросткам х, х 1 обоймы a, охватывающей верхнюю половину цилиндра индикатора. Вращая обойму можно подводить и удалять карандаш от бумаги. Барабан, на котором закрепляется бумага, насажен на ось, параллельную стержню индикатора и прикрепленную к доске V другой обоймы, туго насаженной на нижнюю половину цилиндра индикатора. Барабан приводится в движение шнуром, помещенным в желобке внизу барабана; шнур пропущен через направляющие ролики r, r 1 и прикреплен к особому механизму, рычагу, или прибору, называемому уменьшителем хода (Hubverminderer), при помощи которого шнуру сообщаются перемещения, пропорциональные перемещениям поршня машины. Обратное движение барабану индикатора сообщается спиральной пружиной u, укрепленной на верху оси, на которой сидит барабан. При помощи гайки D индикатор прикрепляется к трубке с краном, другой конец которой приводится в сообщение с внутренностью парового цилиндра. До начала снятия диаграммы вращением этого крана сообщают индикатор с наружным воздухом и, подводя карандаш к движимому шнуром барабану, вычерчивают "линию атмосферного давления". Во время опыта индикаторные диаграммы снимаются через определенные промежутки времени. Диаграмма машины с расширением и охлаждением изображена на черт. 4 табл. IV.
ПАРОВЫЕ МАШИНЫ IV.
Прямая АА есть линия атмосферного давления", ниже которой проведена линия "нулевого давления". Линия cde изображает теоретический вид диаграммы. Деля длину диаграммы на 10 равных частей и определяя соответствующие им расстояния, то, a 0 , а 1 , а 2 , ... а 9 , а 10 между контурами, можно вычислить среднее расстояние a по формуле:
10a = (a 0 + a 10 )/2 + а 1 + а 2 +... + а 8 + а 9 ,
или же по формуле Симпсона:
30a = A 0 + 4A 1 + 2A 2 ,
где
А 0 = а 0 + a 10 ; A 1 = а 1 + а 3 + а 5 + а 7 + а 9 ; A 2 = а 2 + а 4 + а 6 + а 8 .
По линии a, зная масштаб пружины, т. е. длину, соответствующую одной атмосфере, определяют среднее индикаторное давление p i . Диаграмма черт. 5 табл. IV, с двумя петлями a и b, происходит от чрезмерного расширения и сжатия, что бывает нередко в кулисных механизмах; вторая диаграмма показывает колебания карандаша вследствие инерции поршня индикатора; нос k означает преждевременное, а нос i ? запоздалое начало выпуска пара. На черт. 6 табл. IV диаграмма с петлей g соответствует машине с охлаждением, но со значительным стеснением выпуска, отчего нижняя часть контура слишком близка к линии атмосферного давления; петля происходит от замедления впуска и пропускания пара поршнем в конце сжатия; на той же диаграмме показана пунктирная линия с, появляющаяся взамен кривой b, в случае заедания поршенька в начале опускания его; вторая диаграмма соответствует машине без охлаждения, со значительным стеснением выпуска; мелкие уступы контура при f происходят от трения поршня индикатора; пунктиром показана кривая he при запоздалом, и другая кривая ? при преждевременном начале впуска. Таким образом, все недостатки парораспределения легко обнаруживаются индикатором. Определение действительной, или полезной, работы машины производится посредством динамометрического тормоза или нажима (см. Тормоз), но нередко заменяется более легким и дешевым приемом, а именно определением индикаторного числа сил N s , при ходе машины порожнем и допущением, что
N n = N i ? N s .
Полное калориметрическое исследование котла и машины требует очень многих приборов и обходится весьма дорого. Цель его заключается в подробном выяснении всех потерь и превращений теплоты в котле и машине. Подробности: Ломшаков, "Испытание П. котлов и машин. 4.1. П. котлы" (1897) с подробным указанием литературы; Thurston, "А hand bock of engine and boiler trials" (1890, 8 изд., имеется франц. перевод: "Essais de machines et chaudieres a v a peur", 1893); Buchetti, "Guide pour Fessai des machines" (2 изд., 1891); Carpenter, "Experimental engineering" (1893).
VII. Статистические сведения, вес и стоимость. Общее число всех П. двигателей в России в 1891 г. приблизительно было следующее:
Число сил Постоянные машины 200000 Локомобили 400000 Речные пароходы 300000 Морские пароходы 100000 Паровые суда военного флота 360000 Паровозы 2000000 Всего 3000000
А в Пруссии к 1 января 1889 года:
Число машин Число сил Постоянные котлы 47151 ? Постоянные машины 45192 1508195 Локомобили 11916 111070154189 Пароходы 1674 188390 Суда военного флота 78 Паровозы до 9000 2260000 Итого 4221844
Число П. машин на всем земном шаре от 1800 до 1900 тыс., а число сил от 54 до 60 млн. Стоимость П. машин, без охлаждения, при 6 атмосферах давления по манометру, в Германии, в марках, по Гедеру (Haeder, "Die Dampfmaschinen", 1892), следующая:
Действительное число сил 10 15 25 40 60 80 100 150 Стоимость машины 2120 3295 4300 5930 8060 10700 13850 17300 Стоимость котла 3065 4680 6905 9180 11560 14960 18980 23650 Стоимость дымовой трубы 800 1000 1350 1800 2500 3500 6000 7000 Стоимость помещения 2115 3125 4145 6160 6180 7240 8270 9350 Сумма 8100 12100 16700 22100 28300 36400 46100 57300
Машина с охлаждением дороже на 10% а компаунд на 15%. Вес машины с охлаждением (Haeder) вместе с маховиком:
Диаметр 300 400 500 мм Ход 500 700 900 " вес 4430 8850 14670 кг
VIII. Литература по П. машинам. Брандт, "Курс П. машин" (СПб., 1896; c указанием литературы); Вышнеградский, "Лекции о П. машинах, читанные в технологическом институте (СПб., 1874); Тиме, "Практический курс П. машин" (СПб., 1887); Студенты Технологического института Николая I, под ред. проф. Деппа, "П. машины. Руководство к проектированию и изучению П. машин" (СПб., 1897); Shwartze, "Dampfkessel und Dampfmaschinen" (1897); Goodeve, "Text-book on the steam and gas engines" (1887); Jamieson, "A text-book on steam and steam-engines" (1892); Hatondela Goupilliere, "Cours des machines" (1892); Busley, "Die Schiffsma s chine" (многочисленные указания на литературу). Превосходный хромолитографир. атлас); Bienayme, "Les maschines marines" (П., 1887); Thurston, "A manual of the steam engine" (Нью-Йорк, 1891; нем. пер., Лпц., 1880). По теории: Zeuner, "Technische Thermodynam ik" (1887?1890); Grashof, "Theoretische Maschinenlehre" (Лпц., 1890). По конструкции: Buquetti, "Les machines a vapeur actuelles" (1881, 1888; детальные чертежи); его же, "М. a vapeur a l'exposition universelle de Paris 1889" (1890); Riedler, "Dampfmaschin en. Bericht uber die Weltausstellung in Paris 1878" (1879). По парораспределительным приборам: Zeuner, "Die Schieberstenerungen" (Лпц., 1888); Blaha, "Die Stenerungen der Dampfmaschinen" (1890). По вычислению размеров. Hrabak, "Hilfsbuch fur Dampfmaschinen techniker" (2 изд., 1891); таблицы для расчета, с объяснением теоретических и практических оснований их составления.
П. Котурницкий.