Особенности использования паровых двигателей на транспорте

Изобретение Джеймсом Уаттом нового парового двигателя не только ускорило развитие существующих отраслей промышленности (например, текстильной), но и вызвало появление принципиально новых. В частности, произошел переворот в организации транспорта. Создание и распространение механических транспортных средств историки-экономисты называют транспортной революцией.

На начальных этапах распространение машин было ограничено тем, что их приходилось производить вручную, поэтому каждая из них сильно зависела от изобретательности мастера, однотипные машины заметно отличались друг от друга. Переворот в производстве завершился тогда, когда осуществилась механизация производства самих машин.

Первая паровая машина, используемая в качестве средства передвижения, был изобретена французом Николя Жозефом Куньо, инженером и военным стратегом-любителем. В 1765 году он создал автомобиль, который мог перевозить четырех пассажиров при максимальной скорости 9,5 км/час. Затем появился автомобиль для транспортировки орудий. Из-за невозможности продолжительной эксплуатации (непрерывный цикл работы новой машины не превышал 15 минут) изобретатель не получил поддержки властей и финансистов. Неудача постигла Куньо ещё и из-за того, что паровая установка подвергалась сильнейшей тряске при езде по брусчатой мостовой, поскольку рессорного подвешивания повозка не имела.

В силу этого недостатка сухопутные экипажи на некоторое время сместились на задний план, уступив место судам. Естественно, что на водной поверхности о вибрациях говорить не приходилось, поэтому стала возможной безопасная эксплуатация паровых машин. В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, начал осуществлять регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк).

В 1802 американец Роберт Фултон построил в Париже опытный образец лодки с паровым двигателем. Вернувшись в Америку, Фултон построил первый пассажирский пароход «Клермонт». Характерно, что машина для этого парохода была изготовлена на заводе Уатта. В 1807 «Клермонт» совершил первый рейс по Гудзону. Сначала не нашлось ни одного смельчака, который захотел бы стать пассажиром нового судна, однако уже через четыре года Фултон основал первую в мире пароходную компанию, а еще через десять лет в Америке и Англии число пароходов уже измерялось сотнями. С 1830-х начинает действовать первая регулярная трансатлантическая пароходная линия.

В 1832 году впервые в России на заводе была построена паровая машина с кривошипно-шатунным механизмом для военного парохода «Геркулес» (Строитель парохода — английский кораблестроитель на русской службе В. Ф. Стокке). Это была первая в мире удачная для пароходов паровая машина без балансира. Англичане дважды, в 1822 и 1826 годах, делали попытку изготовить такие машины для своих пароходов, но они оказались неудачными, и англичанам пришлось довольствоваться обычными балансирными машинами. Лишь на пароходе «Горгон», спущенном на воду в 1837 году, они смогли установить машину прямого действия (без балансира), которая стала работать нормально [3].

Между тем в Англии, после нескольких безуспешных, базировавшихся на машине Уатта, попыток Мура, Вильяма Мердока и Вильяма Саймингтона, появилось рельсовое транспортное средство Ричарда Тревитика, которое было продемонстрировано 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в городе Мертир-Тидвил в Южном Уэльсе. Это был первый в истории паровоз, которому Тревитик присвоил имя «Пышаший дьявол». Затем, в 1802 году, паровоз «Coalbrookdale» для одноимённой угольной компании.

В 1808 году Тревитик построил более лёгкий паровоз новой конструкции, развивавший скорость до 30 км./ч. Этот паровоз получил название «Поймай меня, кто сможет». Тревитик показывал его широкой публике в предместье Лондона, для чего построил за свой счет кольцевую дорогу в парке, где паровоз соревновался в скорости с лошадьми и перевозил людей ради развлечения.

Тревитик, кроме того, успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели», которые работали под давлением 3,4 атмосферы. Такие машины строились вплоть до 1890-х годов. Множество старых машин Уатта было реконструировано до этого уровня.

Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования.

После Тревититка паровозостроением занимался Джордж Стефенсон, английский изобретатель и инженер-механик.

В возрасте 31 года Стефенсон был назначен главным механиком угольных копей. Уголь вывозился из шахты на вагонетках с конной тягой по колейной дороге, которая была прародительницей современных железных дорог. Чтобы облегчить вывоз угля на поверхность, он сначала построил паровую машину, которая с помощью каната тянула вагонетки. А в 1814 году Стефенсон спроектировал свой первый локомотив, предназначенный для буксировки вагонеток с углём для рудничной рельсовой дороги. Машина получила название «Блюхер». В следующие пять лет Стефенсон построил ещё 16 машин.

Опыты Стефенсона получили признание, и в 1820 году его привлекли к проектированию и строительству 13-километровой железнодорожной линии от угольной шахты Хэттон до Сандерленда. На ней использовалась комбинированная тяга: в одном направлении (вниз) состав двигался под действием сил гравитации, а обратно (наверх) затягивался с помощью парового локомотива. Эта дорога стала первой, на которой удалось полностью отказаться от мускульной силы животных в пользу механической тяги [6].

В 1821 году началось проектирование железной дороги Стоктон — Дарлингтон. В 1822 году Стефенсон приступил к работе. В 1823 году он основал в Ньюкасле первый в мире паровозостроительный завод, на котором уже в сентябре 1825 года был готов новый локомотив, получивший название «Локомоушн». Открытие линии состоялось 27 сентября 1825 года. Паровоз, управляемый самим Стефенсоном, провёл состав, нагруженный 80 тоннами угля и муки. Поезд преодолел 15 километров за два часа, показав среднюю скорость порядка 7,5 км/ч, но на некоторых участках он разгонялся до 39 км/ч. Помимо груза в составе поезда был открытый пассажирский вагон «Эксперимент», в котором ехали члены приёмочной комиссии. Это был первый в мировой практике случай использования железной дороги с паровой тягой для перевозки пассажиров.

В 1829 году, незадолго до открытия линии Ливерпуль — Манчестер, в проектировании которой Стефенсон принимал участие, решено было провести сравнительные испытания нескольких локомотивов от разных поставщиков, чтобы выбрать наилучший. Против пяти соперников Стефенсон выставил на конкурс свой паровоз «Ракета». Этот паровоз оказался единственным, успешно завершившим все испытания. Он показал среднюю скорость 19 км/ч с грузом 13 тонн. При этом максимальная скорость достигала 48 км/ч. Блистательная победа стефенсоновской «Ракеты» сделала её самым знаменитым механизмом в истории техники [6].

Основная идея конструкции паровых машин Стефенсона заключалась в том, что лишний пар, после оказания давления на цилиндры, выводился в трубу, облегчая доступ чистого воздуха, обеспечивая хорошую тягу, скорейшее сгорание топлива и более высокий КПД. До начала работы над новым паровозом оставалась, однако, нерешённой другая проблема — малой площади поверхности нагрева. Стефенсон намеревался устранить этот недостаток, удлиняя котёл и увеличивая площадь поверхности жаровых труб. В последней перед «Ракетой» модели паровоза Стефенсон пришёл к концепции сдвоенной трубы, заметно увеличивающей площадь поверхности нагрева. Однако такая модель была слишком тяжёлой — основанные на этом принципе паровозы весили 12 тонн, тогда как требования организаторов конкурса предусматривали вдвое меньшую массу.

Решение было найдено благодаря водотрубному котлу, основная идея которого заключалась в прохождении воды и пара по параллельным трубкам, проложенным через топку.

Для «Ракеты» в результате экспериментов был выбран вариант, в котором по трубкам через воду в котле должен был пропускаться разогретый газ. Второй важной деталью стало сужение диаметра паровой трубы, благодаря чему скорость движения пара в системе возросла. Наконец, третьим усовершенствованием по сравнению с предыдущими моделями было прямое соединение золотников паровой машины с ведущими колёсами локомотива .

Благодаря техническим решениям Стефенсона паровозы получили широкое распространение и общественное признание, в результате чего на протяжении XIX в. протяженность железных дорог в развитых странах росла взрывообразно, пик роста пришелся на 1860-1880 годы.

Автомобильный паровой транспорт также развивался. Приводимые в движение паром транспортные средства все чаще использовались в США: Натан Рид в 1790 году удивил жителей Филадельфии своей моделью парового автомобиля. Однако еще больше прославился его соотечественник Оливер Эванс, который спустя четырнадцать лет изобрел автомобиль-амфибию. После наполеоновских войн, во время которых «автомобильные эксперименты» не проводились, вновь началась работа над изобретением и усовершенствованием паровой машины. В 1821 году ее можно было считать совершенной и достаточно надежной. С тех пор каждый шаг вперед в сфере приводимых в движение паром транспортных средств определенно способствовал развитию будущих автомобилей. В 1825 году сэр Голдсуорт Гарни на участке длиной 171 км от Лондона до Бата организовал первую пассажирскую линию. При этом он использовал запатентованную им карету с паровым двигателем. Это стало началом эпохи скоростных дорожных экипажей, которые, однако, исчезли в Англии, но получили широкое распространение в Италии и во Франции. Подобные транспортные средства достигли наивысшего развития с появлением в 1873 году «Реверанса» Амедэ Болле весом 4500 кг и «Манселя» — более компактного, весившего чуть более 2500 кг и достигавшего скорости 35 км/час. Оба были предвестниками той техники исполнения, которая стала характерной для первых «настоящих» автомобилей. Несмотря на большую скорость, кпд паровой машины был очень маленький. Болле также запатентовал первую хорошо действующую систему рулевого управления.

Леон Шевроле в 1907 году запустил несколько автомобилей с легким и компактным парогенератором, запатентованным им в 1889 году. Компания De Dion-Bouton, основанная в Париже в 1883 году, первые десять лет своего существования производила автомобили с паровыми двигателями и добилась при этом значительного успеха — ее автомобили выиграли гонки Париж-Руан в 1894 году .

Спустя некоторое время успехи компании Panhard et Levassor в использовании бензина привели к тому, что De Dion перешел на двигатели внутреннего сгорания. Когда братья Болле стали управлять компанией своего отца, они сделали то же самое. Затем и компания Chevrolet перестроила свое производство. Автомобили с паровыми двигателями все быстрее и быстрее исчезали с дорог, хотя в США они использовались до 1930 года.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: