Кризис паровой техники

На протяжении всего XIX в. продолжалось усовершенствование паровой машины. С 1800 г., когда окончилось действие патентов Уатта, конструкторы различных стран особенно активно включились в работу по улучшению технических показателей паросиловых установок с поршневым паровым двигателем.

Хотя основные конструктивные детали паровой машины и термодинамические основы ее работы оставались неизменными, произошло качественное изменение паровой техники, выразившееся в повышении показателей интенсивности: возросли давление и перегрев пара, число оборотов, удельные тепловые и силовые нагрузки и т. д.

Использование перегрева пара, начатое еще в 60-х годах, особенно широко распространилось в 90-х годах. Появление быстроходных технологических машин и двигателей транспортных средств потребовало увеличения КПД паровых машин.

Большое внимание постоянно уделялось также системам парораспределения, благодаря чему появились технически совершенные устройства. Этому в значительной мере способствовали разработки американского инженера Джорджа Корлиса. Регулирование в его конструкциях сочеталось с небольшим расходом пара и дало основу для изготовления машин большой мощности.

На Филадельфийской выставке 1876 г. экспонировалась балансирная машина Корлиса мощностью 2500 л. с. и скоростью вращения 36 об/мин. Однако парораспределительные краны в его машинах не могли работать при перегретом паре, а балансир — при большом числе оборотов и потому не могли следовать за основной тенденцией развития паротехники последней четверти XIX в.

Дальнейшее развитие паровых поршневых двигателей пошло по пути создания мпогоцилиндровых конструкций с многократным расширением пара; это привело к повышению КПД в результате использования высокого перепада давлений и уменьшения теплообмена между паром и стенками рабочих цилиндров. В 90-х годах появились машины с двух-, трех и четырехкратным расширением пара. Благодаря многим техническим усовершенствованиям к концу XIX в. термический КПД паровых машин возрос в 5 раз. Паровая машина как универсальный двигатель крупной машинной индустрии, транспорта и в известной степени сельского хозяйства (локомобили) занимала все более прочные позиции вплоть до 70—80-х годов.

Вместе с расширением машинного способа производства во второй половине XIX в. поступательно развивалась теплоэнергетика в целом. В этот период создавались достаточно экономичные и надежные парогенераторы, которые удовлетворяли потребности стационарной и транспортной энергетики. В развитии котлостроения явно обнаружилась тенденция к повышению давления пара и росту производительности. Постепенно вырабатывалась наиболее рациональная конструкция с делением газового тракта и водяного объема котла на большое число труб малого диаметра.

В результате сложились два основных вида парогенераторов: газо- и водотрубные.

Газотрубные котлы наибольшее признание нашли в судовых, локомотивных и локомобильных установках, водотрубные — в стационарных установках, в том числе на первых тепловых электростанциях. В 60—70-х годах возникли двухкамерные водотрубные котлы,в конце XIX в. — секционные.

Двухкамерные котлы, отличавшиеся лишь некоторыми деталями, изготовляли с давлением в пределах 3—8 ат западноевропейские заводы.

Типичной конструкцией двухкамерных котлов был котел Штейнмюллера, выпускавшийся в Германии. Повышение давления пара привело к необходимости разделения камер на секции (котлы «Babcock and Wilcox», Шухова, Бельвиля и др.).

Особенно высококачественными секционными водотрубными котлами были котлы фирмы «Babcock and Wilcox» и конструкции В. Г. Шухова. Запатентованный в 1896 г. котел Шухова, отличавшийся невысокой стоимостью, малой металлоемкостью и легкой транспортабельностью, получил распространение главным образом в России.

К концу прошлого века относится также появление вертикально-водотрубных котлов с прямыми и изогнутыми трубками, ввальцованными непосредственно в барабан. Характерным примером стационарного вертикального котла может служить четырехтрубный котел конструкции американца Стерлинга (1894 г.). Благодаря конструкции, позволявшей компоновать три, четыре, пять и шесть барабанов, он получил широкое распространение. Одновременно с котлом Стирлинга использовали многобарабанный котел Гарбе (Германия), также допускавший различные компоновки барабанов.

К концу XIX в. в водотрубных паровых котлах была достигнута относительно высокая паропроизводительность: отдельные конструкции позволяли получать суммарную поверхность нагрева свыше 500 м2 с суммарной паропроизводительностью более 20 т/ч.

С укрупнением промышленных предприятий, с увеличением веса и габаритов обрабатываемых материалов и полуфабрикатов возросли требования к энергетической базе промышленности, существенно увеличился расход энергии отдельными предприятиями, возникала все большая необходимость в привлечении мощных двигателей.

Постепенно рост мощности теплосиловых установок перестал сопровождаться пропорциональным увеличением количества выработанной продукции или снижением ее себестоимости. Это обстоятельство было вызвано увеличением непроизводительных расходов на доставку топлива от места его природного расположения к силовым установкам и увеличивающимися потерями на передачу и распределение механической энергии от паровой машины к машинам-орудиям. Главным недостатком парового двигателя становилась трудность передачи и «дробления» получаемой от него энергии.

Энергия передавалась в основном по трансмиссиям, обеспечивающим вращательное движение рабочих машин. Во второй половине XIX в. усилились поиски рациональных конструкций всех звеньев передаточных устройств; под влиянием запросов практики разрабатывались теоретические основы механических передач.

Несмотря на усовершенствования в конструкциях каждого из отдельных узлов трансмиссии, доля мощности на преодоление потерь энергии росла, а общий коэффициент полезного действия неуклонно снижался. Поскольку потери резко возрастали вместе с увеличением количества передаваемой энергии и расстояний ее передачи, то ограничивалась мощность отдельных силовых установок и, как следствие, затруднялась концентрация производства. В условиях непрерывно развивающейся крупной промышленности это было существенным недостатком паровой энергетики, приводившим ее в состояние кризиса.

Другой недостаток парового привода был связан с невозможностью перехода при его использовании к прогрессивным формам организации промышленности, чего настоятельно требовала все большая механизация производственных процессов и рост числа машин. В 90-х годах стала отчетливо проявляться тенденция поточного производства как наиболее экономичная форма организации труда при массовом использовании машин. Трансмиссионная система механического распределения энергии исключала возможность налаживания поточного производства. Значительно реже применяли индивидуальный привод механизмов от мелких паровых машин, но этому виду механизации препятствовала нерентабельность небольших теплосиловых установок.

Недостатки парового привода с механическим распределением энергии тормозили концентрацию и интенсификацию промышленного производства. Появились двигатели внутреннего сгорания, но их доля в общем энергетическом балансе мира не была еще ощутимой. Таким образом, в последней трети XIX в. энергетическая техника переживала глубокий кризис, и в этот период стал зарождаться электрический способ передачи и распределения механической энергии.

Шухардин С. В. "Техника в ее историческом развитии"