Перед Вами работа, основанная на материалах американского форума энтузиастов парового автомобиля. Постройка совершенной паровой системы для транспортного устройства на современном уровне очень непростая задача, что Вы поймёте из предлагаемого текста. На изучение и материалов для него и написание мною были затрачены два года довольно кропотливой работы. Не имея особой надежды на то, что эта работа будет когда-либо оплачена я, тем не менее, решился предложить на широкое обозрение сей скромный труд, который в дальнейшем предполагаю продолжить.
Отто Р. Паровичкофф.
Паровой мотоциклъ, начало пути.
Паровыя машины. Основы.
Предисловие.
Здравствуй, дорогой читатель.
Однажды я загорелся идеей построить паровой мотоцикл. Может быть, четырёхколёсную самобеглую коляску с паровым двигателем, минитрактор. Такая штука очень бы помогла мне в моём хозяйстве. К сожалению, у меня пока нет возможности заняться непосредственно строительством, как и практических наработок в этом деле, поэтому я пока собираю информацию по этой теме, ибо построить ХОРОШИЙ современный паровой двигатель как выяснилось не так просто, а повторять прошлый век не хочется, как бы ни тянула романтика и относительная простота и «ясность» изготовления. Возсоздавать старинныя машины в наше время непрактично, они тяжелы и неэкономичны, разве что Вам нужна экзотика для кино. Мне же нужна действительно добротная и надёжная рабочая паровая лошадка. Многие сегодня думаютъ, что теория пара давно была отработана, высосана до дна и паровыя машины ушли на свалку истории, канули в лету и ничего кроме, хотя и небезынтересного технического курьёза не представляютъ. Когда я начал углубляться в изучение вопроса, оказалось что это далеко не такъ. Предлагаю твоему вниманию маленький опус о силе пара и паровых машинах. Этот материал начитан мною в интернете и собран в данной работе. Хочется поблагодарить участников дискуссии на страницах форума американских любителей парового автомобиля. Их практический опыт в этом деле оказал мне неоценимую услугу в понимании проблем современной паровой машины. Паровой мотоцикл задуман потому, что если бы я задумал стационарную паросиловую установку, она получилась бы громоздкой, со множеством теплообменников, сепараторов и в силу инерционности мышления напоминала бы скорее всего схему какой-нибудь не очень сложной ТЭЦ и скорее всего осталась бы компаунд-машиной с классической машиной двойного действия со всеми её недостатками. Внимание при её создании было бы направлено совсем по другому пути, и я не попал бы на тот материал, который показал мне многие тонкости парового дела. Мотоцикл же требует более жёсткого подхода к силовому агрегату. Он должен быть лёгким, прочным, экономичным и компактным, система должна уметь почти мгновенно менять свою мощность, по возможности сохраняя максимальный кпд на нерасчётных режимах, что и для ДВС почти непосильная задача. Хотя надо признаться, тепловая схема силовой установки мотоцикла всё равно будет напоминать схему ТЭС, потому что цикл Ренкина принципиально не изменится от того что Вы его применили на мотоцикле. Надеюсь, проект будет продвигаться, и по мере его продвижения дополнительно освещён в дальнейших публикациях. В него будут заложены основные принципы, изложенные здесь. Надо сказать, что вопросы использования силы пара могут быть интересны в наше время так же и в тех самых стационарных приложениях, от которых я так залихватски отмахнулся. Использование ископаемых топлив угля и нефти привело к экологической катастрофе, которая в скором времени выйдет из стадии скрытого развития и начнёт разрушать всю инфраструктуру современной цивилизации, которая её породила. В таких условиях центральное электроснабжение, скорее всего, будет нарушено и небольшие аварийные местные электростанции, работающие на всём что горит, смогут здорово помочь людям пройти через суровые испытания, которые их ожидают. Паровой электрогенератор для пилорамы, обезпечивающий её своей собственной электроэнергией и возможно продающей избытки этой энергии другим электропотребителям - неплохой выбор для сметливого владельца пилорамы. Такая мини-электростанция могла бы стать отличной базой для наработки исследовательской информации в деле возобновления использования силы пара на современном научно-техническом уровне. На данном этапе вся паросиловая установка мною концептуально осмыслена, хотя цифровых расчётов я пока не делал, думаю что надо сначала построить изследовательскую машинку для того чтобы иметь возможность привязать теорию к практике и научиться получать достоверные расчёты. Весьма скоро встанет вопрос о создании лаборатории – мастерской, для практической отработки и применения полученных знаний и создания первого прототипа двигателя для паровой лошадки. Если удастся найти необходимые материальные ресурсы, а главное – время, тогда в ближайшее время приступлю к отработке изложенных здесь идей и получению первых практических результатов. Хотелось бы надеяться, что эта работа послужит делу объединения любителей паровой тяги в виде клуба и созданию изследовательской группы, серьёзно работающей в этом направлении. Все, кто хочет, может вступить в этот клуб. О нём написано в конце этой брошюры. Приглашаю к сотрудничеству всех заинтересованных лиц, которые хотят всерьёз построить для своего бизнеса паровую электростанцию. Об изследовательской группе разговор особый, присылайте письмишко, посмотрим.
Король пар. Быль и небыль.
История использования энергии пара человечеством восходит в незапамятные времена. Одним из первых паровых двигателей, мне известных, является паровая реактивная турбина Герона, под незамысловатым названием Шар. Эпоха его создателя восходит в глубокую античность. Шар Герона производил преобразование энергии насыщенного влажного пара низкого давления в механическую работу вращения самого Шара. Работа, получаемая при вращении шара, использовалась для создания впечатлений, которые развлекали ум наблюдателя и наводили на философские размышления. Не эти ли впечатления вызвали у далёких потомков Герона, англичанина Чарльза Парсонса и датчанина Густава Лаваля, идею создания паровой турбины? Кто знает? В средние века, примерно в конце 17-го столетия французский математик Дени Папен увлёкся идеей использовать силу пара для практического применения. Папен додумался, что быстро получать вакуум в цилиндре с поршнем можно, заполняя его паром и быстро конденсируя его. Он построил первый пароатмосферный двигатель и, согласно легенде, приладил его на лодку, говорят не без некоторого успеха. Хотя очень трудно в это поверить.
Эту идею подхватил англичанин Томас Севери, он построил пароатмосферный насос, который качал воду за счёт разряжения в сосуде, образующегося при конденсации в нём пара. Томас Ньюкомен, несколько позже построил пароатмосферную машину с цилиндром и поршнем и уже с весьма заметной мощностью, так же работающей на вакуумном принципе. Его машину уже можно было применять не только для откачки воды. Поскольку идею парового двигателя уже успел запатентовать пронырливый Севери, хотя его насос двигателем не был, пришлось Ньюкомену производить свои двигатели в содружестве со своим тёзкой. Пароатмосферные двигатели Папена-Севери-Ньюкомена работали по принципу, описанному выше. В насосах Севери и первых машинах Ньюкомена сосуд и цилиндр для получения вакуума обливали водой снаружи. Несколько позже Ньюкомен догадался впрыскивать охлаждающую воду прямо в цилиндр для более быстрой конденсации пара. Скорость работы машины возросла. Котёл паровой машины Ньюкомена был отделён от цилиндра и был полукруглой формы, как и большинство тогдашних котлов. Давления он не создавал и насыщенный пар из котла чуть ли не всасывался поршнем при его движении вверх. В верхней мёртвой точке пар перекрывал мальчик, управлявший работой машины, и включал «инжектор» впрыска, который впрыскивал порцию холодной воды в цилиндр. Пар в цилиндре быстро конденсировался, в нём образовывался вакуум, давление атмосферы гнало поршень вниз, он тянул цепь, связанную с коромыслом, совершая работу.
Впоследствии этот мальчик, согласно легенде, утомлённый сверхнудной работой, додумался верёвочкой привязать этот паровой кран и кран инжектора к коромыслу машины. Так был изобретён первый парораспределительный механизм. Машина Ньюкомена была страшно неэкономичной и пожирала, неимоверное количество угля. Кпд машины Ньюкомена не превышал одного процента. Потери на постоянный нагрев – охлаждение стенок цилиндра, в котором происходил рабочий процесс, постоянный подсос воздуха через несовершенные уплотнения окрадывали и без того малоэффективный цикл. Идею Ньюкомена в Российской Империи подхватил наш соотечественник Иван Ползунов. Он построил первую в России паровую двухцилиндровую машину Ньюкомена, которая приводила в движение воздуходувные мехи доменных печей. Ползунов внёс в машину Ньюкомена некоторые усовершенствования.
Ремонтируя модель машины Ньюкомена для школы, другой англичанин – Джеймс Уатт, вероятно, много размышлял о том, как переплюнуть старину Томаса и усовершенствовать его двигатель. И додумался. Сначала он сделал цилиндр той модели деревянным, и она прекрасно заработала, так как теплопроводность дерева плохая. Потом он понял, что гораздо быстрее и выгоднее получать разрежение в отдельном и всегда холодном сосуде, а во всегда горячий цилиндр впускать только пар. Так была изобретена первая паровая машина Уатта. Она была одноцилиндровой, одностороннего действия и тоже атмосферной. Экономичность её возросла вдвое против машины Ньюкомена. Чуть позже Уатт сделал машину двойного действия. Идеи о всемогуществе силы пара зароились в воздухе как мухи в августе. Француз Кюньо создал паровую трехколёсную телегу с котлом и двухцилиндровой паровой машиной. Паровая машина Кюньо, скорее всего, работала на паре с давлением выше атмосферного, но возможно была пароатмосферной. Кривошипно-шатунного механизма тогда ещё не изобрели, и двухцилиндровая машина одинарного действия вращала колесо посредством подобия храпового механизма. Свой паровик Кюньо запустил в конце 18 века. За свою неуклюжесть эта телега и отплатила изобретателю. Потеряв управление, она врезалась в стену прямо на показательных испытаниях, когда министр обороны готов был выделить Кюньо значительные средства для усовершенствования его детища, чтобы использовать для нужд артиллерии. Несколько позже, заражённый идеями революции, министр, финансирующий работу Кюньо, попал в опалу и Кюньо остался без финансирования.
На сцену вышел другой англичанин – Ричард Тревитик. Может быть, он что-то слышал о деятельности француза Кюньо, а может быть, просто был одержим мечтой применить паровую машину для движения повозки. На повозке использовать конденсатор Уатта и всю эту громоздкую и тяжелую пароатмосферную систему было конечно невозможно. Поэтому он додумался сделать котёл прочнее и поднять давление пара в нём над давлением атмосферы. Свои первые опыты Тревитик производил на стационарных установках. Увеличение плотности энергии дало весьма ощутимую прибавку мощности машины, быстродействие и гораздо меньший вес на лошадиную силу развиваемой мощности. Машина Тревитика вместе с котлом весила всего около 300 кг и развивала мощность в 3 лошадиных силы. Тревитик сделал свой паровой дилижанс в 1802-03 г. "Высокое" давление величиной целых 2 бара в огнетрубном котле позволяло машине двигать трехколесный экипаж на восемь пассажиров со скоростью 13 км/час. Информацию о дилижансе Тревитика можно почерпнуть по нижеследующей ссылке http://www.steamcar.net/brogden-1.html
Когда я читал в школе о паровых машинах, легенда гласила, что Тревитик погиб вскоре от взрыва парового котла. Теперь же легенда гласит, что Ричард Тревитик после неудачного участия в испано-перуанской войне, вернувшись в Англию, умер в нищете в 1833 г. Какая из этих легенд быль, а какая небыль Бог весть. Джеймс Уатт перейдя, вслед за Тревитиком, на повышенные давления создал свою конструкцию универсального парового двигателя. Эта конструкция стала классической, она практически без изменений просуществовала до конца эпохи пара, обезпечивая промышленную революцию паротягловой силой. Получив такую мощь в свои руки, человечество стало в массовом порядке отклоняться от ручного труда, что позволило ему более уверенно стать на путь к погибели, потому что каждодневное монотонное нажимание кнопок, вместо вдумчивой, кропотливой, творческой ручной работы весьма отупляет. И вместе с тем разленивает тело праздностью и оставляет много свободного времени для развлечений, а там и до греха недалеко. А где грех, там и погибель. Однако работникам первых фабрик особо разлениваться не давали, рабочий день был до 18часов. Привилегию развращаться владельцы фабрик оставили себе, в чём постепенно и преуспели. Но вот что касается отупения, то фактор монотонности при неслыханной эксплуатации отупил пролетаризированные массы весьма заметно, что позволило впоследствии еврею Мордохею Леви продвигать идеи своего «Капитала» и коммунизма в жизнь.
И понеслась. Через три десятка лет после Тревитика в Англии были созданы уже достаточно совершенные паровые дилижансы, которые уже в двадцатые тридцатые годы 19-го века стали сновать регулярными рейсами и приносить доход владельцам. Одним из них был Гарней. Его паровые дилижансы были уже намного совершеннее повозки Тревитика. Следом за ним открыл свой «Энтерпрайс» Хэнкок. Его паровики были ещё более успешными. Магнаты железных дорог и владельцы конных линий сообщения всполошились, почуяв конкурентов, и паровые автомобили в Англии были прикрыты законодательно. Уже тогда власть денег в Англии превысила законодательную, и государство стало марионеткой в руках денежных мешков. Потенциальный конкурент был задушен на корню, а автомобилестроение в Англии было надолго закрыто усилиями тогдашних магнатов. Во второй половине конца 19 в. на арену в этом деле снова вышла Франция, давняя соперница туманного Альбиона. Боули, Де Дион, Серполе, может быть еще кто. Автомобиль Серполе был для своего времени весьма прогрессивен. Можно сказать - французский предшественник Добля. Он имел прямоточный паровой котёл, начиная с самого первого, ещё несовершенного автомобиля, работавшего на угле. Дело было где-то в восьмидесятых годах 19-го века. Этот его котёл не имел автоматики и имел вид параллелепипеда, выложенного плоскими змеевиками, похожими на змеевик радиатора от современного холодильника, расположенными один над другим. Каждый последующий змеевик имел перпендикулярное расположение трубок относительно предыдущего слоя. Трубки были толстостенные, и в первых автомобилях Серполе, работавших на угле, нагревались всё время движения. В патенте Серполе, однако, трубки имеют вид двойных плоских спиралей. Спирали залиты чугуном, который образует толстые рубашки вокруг сплюснутых трубок, имеющих канал в виде плоской щели. Чугунные рубашки должны были предохранять трубки от быстрого прогорания, поскольку они были нагреты до вишнёвого свечения. Когда нужен был пар, в котёл подавалась вода. Источник тепла был традиционно снизу. Конечно, при этом страдала экономичность, и в последующих, более совершенных паровиках Серполе использовалось жидкое топливо и автоматика, которая регулировала горелку по мере необходимости в паре, котёл стал легче, так как трубки не надо больше было делать такими толстостенными, эти автомобили имели конденсатор и неплохо сконструированную машину. Паровая машина последних моделей Серполе была, пожалуй, даже совершеннее неуклюжих компаундов знаменитого Добля. В ней применялись тарельчатые клапана и раздельный впуск-выпуск пара. Про Серполе я читал мало. Он выпустил довольно большое количество машин, образующих целую галерею моделей, от 9 до 20 л.с. примерно. Знатоки истории паромобилестроения говорят, что Серполе был впереди всех и если бы не его скоропостижная смерть в 1907 г. он переплюнул бы старину Абнера. Добль воспользовался идеями, высказанными Серполе в 1906 г. в своём выступлении на каком то банкете незадолго до своей смерти, и претворил их в жизнь, хотя и не все.
В те времена ДВС был настолько несовершенен, а жидкое топливо так дёшево, что паромобили успешно конкурировали с авто на ДВС. Преимущества грамотно сделанного паровика были налицо. Плавность и безшумность хода, прекрасные тяговые характеристики парового двигателя явно выигрывали перед несовершенными и ненадёжными бензиновыми тарахтелками тех времён.
В Америке и Европе список компаний, производивших паровики, был довольно велик. Знаменитые братья Стенли, Уайт, Локомобиль, Уайтни, Добль, Серполе, Сентинел, Хеншель... Количество выпущенных паромобилей доходило до десятков тысяч. Но вот на сцену вышел немец Отто и перекрыл дорогу паровому транспорту, а Р. Дизель, поставил впоследствии на этом деле точку. Циклы Отто и Дизеля были экономичней, их двигатели не требовали котла. Когда развитие нефтехимпрома того времени позволило получить бензин с октановым числом, позволяющим устойчиво, без детонации работать на степенях сжатия 4-5, паровики стали уступать, медленно, но верно.
Однако знаток и любитель истории пара Том Киммель считает, что победа ДВС в автомобиле произошла только потому что вся паровая инфраструктура, отточенная до кондиций того времени, купавшаяся в своём могуществе и имеющая своеобразное подобие империи, подобно империям прошлого одряхлела. Психологический барьер инженеров, не осознающих как под их кормильца, короля Пара подгрызаются крысы первых ДВС, не дал возможности вовремя вложить силы и капиталы для более глубокого развития теории пара и модернизации паровой техники до новых вершин. Пар отлично работал, всё всех устраивало… А ведь паровая Империя могла устоять! Капиталы паросиловой индустрии были достаточно велики. И они были гораздо больше, чем у изготовителей первых гаражных бензиновых трещоток, которым нечего было терять и которые не были обусловлены вековыми традициями. Хорошим примером такого нездорового консерватизма служит пример братьев Стенли. Они до конца упорно производили автомобили с огнетрубным котлом и паровой машиной образца Джеймса Уатта. Современные владельцы их автомобилей легко улучшают, до некоторой степени, удельный расход топлива, просто введя в систему небольшой пароперегреватель...
Энтузиасты бензинового двигателя просто таки вынуждены были совершенствовать свои машины, чтобы пробить себе дорогу. Представьте себе, что Серполе успел создать автомобиль более совершенный и дешёвый, чем Форд Т... Бензиновые моторы могли бы заглохнуть на стадии Хит’н Мисс машин и не состояться, не дорасти до современного уровня закомпьютеризированных монстров. А автомобилестроители кинулись бы изо всех сил совершенствовать паросиловую установку из соображений конкуренции, и вполне возможно, сегодня повсюду бы сновали современные паровые автомобили с лёгкими, компактными, безшумными и тягловитыми паровыми моторами, способными заправиться на любой опушке леса, или у какой-нибудь свалки… Паровые трактора, приводимые в действие горящей в топках их котлов биомассой, работали бы на полях, безо всякой зависимости от нефтепромышленности с её постоянным удорожанием цен на топливо. Хотя конечно ДВС пробил бы себе путь через авиацию, хотя и не так уже скоро, и автопром смог бы его уже не пустить на дороги в таких масштабах... Бог весть как это могло бы быть, главное сейчас всё есть, как есть.
Компания Уайт, выпускавшая довольно совершенные паровые автомобили, конъюктурно переключилась на производство автомобилей с ДВС. Добль Моторс разорилась и была перекуплена братьями Беслер, которые еще некоторое время пытались держать планку. Братья Стенли, эти упорные консерваторы, продолжали сотнями выпускать свои симпатичные паровички с огнетрубным котлом и классической двухцилиндровой паровой машиной двойного действия с золотниковым парораспределением, без особых усовершенствований, пока не сошли с арены. Поскольку паровых автомобилей было выпущено изрядно, то когда эра пара ушла, по дорогам ещё бегали десятки тысяч паровиков. По отзывам современных владельцев паровых автомобилей имеющих возможность для сравнения, вождение паровика на порядок приятнее и то, как он ведёт себя в дороге и как реагирует на действия водителя, превосходит то, как ведёт себя бензиновый или дизельный современный автомобиль. Впоследствии у многого числа людей возникла ностальгия по старым добрым временам, и породила создание объединений любителей паровой тяги. Одним из таких объединений является Steam Automobile Club of America. Он зародился в 1957 году из небольшой группы владельцев паровых автомобилей. Но уже чуть позже к нему присоединилось множество людей, разбросанных по городам и весям страны, которые трудились в своих гаражах и мастерских над созданием разнообразнейших моделей паровых двигателей и автомобилей, занимались реставрацией старых паровиков, которые тоже остаются в большом почёте. Их довольно много. Владельцы обмениваются опытом, учатся изготавливать раритетные запчасти, правильно возстанавливать найденные в сараях ферм и выкупленные у нерадивых хозяев заржавелые останки паровых автомобилей, доставшиеся им по наследству. Некоторые владельцы архаики пытаются совершенствовать свои машины, заменяя изношенные котлы на более современные, и т.д. Владельцев одних только паровичков Стенли, более тысячи, а владельцев паровых машин этой компании ещё больше. Много владельцев Уайтов и пр. Они проводили и проводят свои слёты, где делятся достижениями, технологиями, обмениваются запчастями, идеями, создают различные проекты. К сожалению, Россия не может похвастаться таким наследием. Отечественное паромобилестроение не оставило нам такого наследства. Как таковое оно просто не состоялось. Некоторое количество лицензионных паровиков «Локомобиля» выпустило до революции общество «Дуксъ». Популярности в России Локомобили не добились и их производство заглохло. Но потом произошло непоправимое. Обезумевший до потери национального самосознания русский народ, ослабевший в Вере Отцов, повёлся на агитацию чужеродных, просатанински настроенных выродков рода человеческого и предал своего Законного Государя. Бог примерно наказал отступивший от Него народ, попустив кровавым новым правителям провести жестокие и многомиллионные убийства в среде лучших представителей русского народа. Эти выродки осознанно проводили селекцию своих новых подданных по принципу безверия, безпринципности, трусливости и подлости. В той кровавой мясорубке общенационального помешательства вряд ли могли уцелеть останки хоть одного локомобиля общества «Дуксъ». И Бог наказывает до сих пор потомков этой новой расы, которую ещё во времена Брежнева назвали советский народ. Ослепшие потомки русского народа практически не видят, как корабль Истории приближается к пропасти. Но как мне кажется, несмотря на это мы имеем потенциал создать подобный клуб, если захотим, конечно.
Цикл Ренкина
Любой тепловой двигатель работает на принципе расширения вещества при нагревании и сжатии его при охлаждении. Вещество, которое применяют в тепловой машине, называют рабочим телом. По большому счёту рабочим телом может служить любое вещество, ибо все тела при нагревании расширяются. Но на практике в тепловых машинах в качестве рабочих тел нашли применение только газы, ибо они имеют свойство с достаточно большой скоростью значительно изменять объём в процессе нагрева и охлаждения. Тепловой процесс, при котором посредством подвода и отвода тепла определённым образом к рабочему телу получают работу, называют тепловым циклом. Любой тепловой двигатель или машина использует для своей работы какой-нибудь тепловой цикл. Существует множество тепловых циклов, которые присущи тем или иным тепловым двигателям. Циклы Брайтона-Эриксона, Стирлинга, Отто, Дизеля и, наконец, цикл который описывает работу паровой машины – цикл Ренкина. Если разсматривать его работу чисто умозрительно, то дело выглядит так: Мы имеем котёл, где кипит вода. Вода при кипении превращается в пар, который занимает многократно больший (при атмосферном давлении более чем в 1500 раз!) объём. В тесноте котла этот пар начинает давить на его стенки, и котёл из сосуда с водой превращается в сосуд, в котором содержится пар под высоким давлением. Если теперь впустить этот пар в известную всем в наше время конструкцию с поршнем в цилиндре, то пар начнёт толкать поршень который может совершать полезную работу. Для того чтобы пар входил в цилиндр когда поршень находится в ВМТ и выходил в НМТ поршня, существует специальный парораспределительный механизм, который синхронно движению поршня управляет открытием и закрытием соответствующих каналов. От чего же зависит количество работы, которое может совершить пар? Продолжая разсуждать умозрительно, мы можем предположить, что чем больше давление, которое действует на поршень, тем большую работу может совершить поршень при своём движении и это правильно. Механическая работа, по определению равна произведению силы на расстояние. Допустим, мы получили в котле некоторое определённое давление. Тогда чтобы из пара находящегося в нём получить как можно больше полезной работы, мы теперь будем стараться увеличить путь, который мог бы пройти поршень под воздействием силы давления. Если представить себе очень длинный цилиндр, в который мы начнем выпускать пар из котла, образованный из 1 кг воды, то поршень площадью S пройдет путь L, при давлении Р, и совершит работу, которая будет равна А=SPL . Этот путь поршня соответствует объёму пара, полученному из 1 кг воды при постоянном давлении Р. (Объем в свою очередь зависит от этого давления и от температуры, до которой нагрет пар.) Но ведь это не вся энергия, которая содержится в паре. Ведь он может ещё расширяться до очень низких давлений. Сила давления будет уменьшаться по мере этого расширения но, тем не менее, она будет оставаться силой, которая давит на поршень. Таким образом, работа будет совершаться до тех пор, пока сила давления на поршень со стороны пара не уравновесит силу, действующую на него с обратной стороны давлением внешней среды. Количество этой работы расширения можно посчитать, разбив путь поршня на микроучастки в пределах которых можно условно считать давление постоянным, определив это среднее давление каждого микроучастка или исходя из опыта, или вычислив по формуле. Затем посчитать микроработу каждого микроучастка. А потом просуммировать всё это количество микроработ. Так мы получим количество работы, которое содержит пар при начальных давлении Р и температуре Т. Если эти микроучастки устремить к нулю, то такая сумма в математике называется интеграл.
Можно поступить и другим образом. Можно положиться на закон сохранения энергии и принять, что в идеальном случае, который мы разсматриваем, работа рабочего тела (пара) будет равна разнице внутренних энергий пара в начале и в конце цикла расширения, ибо считаем, что кроме совершения этой работы свою энергию пар никуда не отдаёт. Поэтому идеальная работа, которую может совершить при расширении с давления Р1 до давления Р2 будет равна разнице энергосодержания пара в начальной и конечной точках процесса расширения. Это энергосодержание пара, отнесённое к 1кг вещества в термодинамике называют словом энтальпия, и обозначают буквой h. Эта энергия для газа или пара состоит из суммы тепловой энергии запасённой в рабочем теле и равной СрТ (где Ср это теплоёмкость при данном давлении, а Т - абсолютная температура пара), и потенциальной энергии РV произведение давления на удельный объём. Эту сумму энергий относят к 1кг рабочего тела, в нашем случае воды или водяного пара. Таким образом, зная начальную и конечную энтальпии пара, мы можем определить какую работу в идеальном цикле расширения можно получить от одного кг пара. Узнать энтальпию пара при определенном давлении и температуре можно из таблицы состояния воды и водяного пара или из той же таблицы переведённой в графическую форму - h-s диаграммы, сейчас существуют калькуляторы состояния воды и пара. В реальной паровой машине конечно цилиндр не может быть слишком длинным. Вместо одного такта в нём циклически совершается процесс впуска некоторой порции пара, её расширение и выпуск. Согласно вышеприведённому теоретическому примеру работа в цилиндре реальной паровой машины складывается из двух работ. Первая часть, это работа совершаемая паром при постоянном давлении, пока открыт клапан и вторая часть – работа расширения пара от начального давления р1 до конечного давления р2 после того, как входной клапан закроется. Момент, когда поступление пара в цилиндр прекращается, называется отсечкой. Она исчисляется в процентах хода поршня или угла поворота коленвала. Отношение давления на входе к давлению на выходе из машины называется степенью расширения пара в данной машине.
На ней в каждой точке состояния можно определить температуру, давление, удельный объём, энтропию, энтальпию воды или водяного пара. На ней удобно изображать рабочий процесс в паровой машине или турбине, при их конструировании.
Самую большую полезную работу, которую может совершить тепловой цикл, имея некоторую разницу температур, имеет цикл Карно. Теорема Карно гласит, что для работы тепловой машины обязательно надо иметь два тела имеющие разную температуру между которыми возможна передача потока тепла от более нагретого к более холодному, и при данных температурах Т1 и Т2 невозможно получить КПД цикла более чем (Т1-Т2)/Т1. Цикл Карно это идеальный цикл для идеального газа, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. В реальности этот цикл недостижим и все реальные циклы имеют заведомо присущий им меньший КПД, чем КПД цикла Карно для данной разницы температур. Не составляет исключения и цикл Ренкина. Даже если представить, что мы не имеем никаких потерь на трение, утечки и отдачу паром тепла окружающей среде в процессе расширения, несмотря на это даже в идеальном цикле Ренкина мы не сможем достичь КПД цикла Карно. Если вернуться к нашему умозрительному примеру работы паровой машины, то можно заметить, что в котле вода превратилась в пар. Процесс перехода из жидкого в парообразное состояние сопровождается необходимостью затраты дополнительного количества энергии тепла к воде, чтобы совершить этот фазовый переход. Сам этот процесс идёт хотя и с поглощением энергии, но при постоянной температуре. Эта энергия называется удельной теплотой парообразования. Она не является постоянной величиной и зависит от давления. После того как пар отработает в машине, он опять должен сконденсироваться с выделением теплоты фазового перехода, которая будет теперь называться теплотой конденсации. Для каждого давления эта теплота фазового перехода различна. Это изначально присущая циклу Ренкина потеря тепла. Она уйдёт от нас с выхлопным паром и разсеется в пространстве либо непосредственно, либо через охлаждение конденсатора. Единственный путь уменьшить эту потерю, это вести цикл расширения глубоко за линию насыщения в области влажного пара. Пар не может сконденсироваться мгновенно и если процесс расширения идёт достаточно быстро можно проскочить линию насыщения без конденсации и в области, где теоретически должно быть уже 85-80% сухости пара можно ещё не иметь в нём влаги, а иметь переохлаждённое состояние сухого пара.
Но в реальности мы имеем и трение всех видов, и утечки пара, и потери тепла рабочим телом на его пути к машине и в процессе совершения им работы в рабочем цилиндре и необходимость закачки воды в котёл насосом. Поэтому реальный цикл Ренкина, как и любой другой может быть реализован с гораздо более низким кпд, чем идеальный. К этому можно добавить, что и в самом котле не вся энергия, полученная при сгорании топлива, может быть передана воде для получения пара.
Как и в любом тепловом двигателе, в паровой машине на цикле Ренкина, максимально достижимый теоретический к.п.д. тем больше, чем больше начальная температура пара и чем меньше конечная. Это можно пояснить таким образом. Если существует определённое количество теплоты (тепло конденсации) которое не может быть использовано для получения работы, то чем больше мы вложим в пар сверх этой неизбежной траты дополнительного тепла, из которого уже можем получать работу, тем меньше относительная доля теплоты конденсации в общем цикле и больше его КПД. На тепловых электростанциях, которые сегодня в большой степени обезпечивают электричеством человечество, тоже используется цикл Ренкина. Только преобразование энергии пара происходит там не в поршневом двигателе, а в турбине. В этих электростанциях давления пара достигли 220 атмосфер и температуры более 510 градусов Цельсия, для того, чтобы повысить тепловой кпд, который даже может превышать 40% за счёт промежуточного перегрева пара и большой степени регенерации тепла.
Стоит отметить, что многие пытаются обойти природу, и найти лазейки для увеличения КПД цикла Ренкина, применив вместо воды какую-нибудь легкокипящую жидкость. Ведь многие органические жидкости кипят при низких температурах и могут создать довольно значительное давление.(!) Это сразу привлекает ум и создаёт иллюзию, что можно на этом получить большую выгоду. Многие сломали себе лбы, пытаясь создать на этом принципе силовую установку с КПД большим, чем у обычного цикла Ренкина на воде. Поиски такой чудесной жидкости Том Киммель, вторя Джиму Кранку, назвал подобными поискам Святого Грааля. Другой знаток пара дал название такого вещества - Недостижимиум. И они правы. Природа налагает строгие ограничения на все попытки обойти её законы. При строгом разсмотрении с точки зрения термодинамики, применение таких жидкостей практически не несёт никаких особых выгод циклу Ренкина. Исключение могут составлять области относительно низких температур в солнечной и геотермальной энергетике. Там с точки зрения самой конструкции двигателя-преобразователя может возникнуть удобство от применения какого-нибудь бутана или фреона в силу удобного соотношения объём/давление для данного диапазона температур, но не более. В области же нормальных температур, где только и достижим высокий КПД системы, такие жидкости разлагаются.
Многие наивно надеются получить выгоду за счёт более низкой теплоты парообразования. Возьмите самый простой пример таких машин, в довольно большом количестве выпускавшихся в Америке для обхода закона об обязанности иметь на борту паровых яхт лицензированного инженера для наблюдения за котлом и машиной. Очень забавно, но этот закон привёл к появлению паровых лодок, в которых вместо воды в качестве рабочего тела применялась нафта, жидкость сродни бензину и керосину. В то время она была отходом производства керосина и применения ей ещё не нашли, поэтому была весьма недорогой. Её теплота испарения-конденсации в 4 с лишним раза меньше чем у воды, поэтому были надежды что экономичность таких лодок будет выше чем у обычных паровых систем того времени. Однако теплоёмкость у нафты около трети от теплоёмкости пара. Поэтому на каждую лошадиную силу надо пропускать через машину втрое больше этого пожароопасного рабочего тела. Относительная доля потерь на эту перекачку возрастает втрое, а при температурах, когда паровая система начинает заметно повышать кпд, нафта благополучно разлагается. Так же как и практически все эти супер жидкости. В наше время цикл Ренкина на органических жидкостях, однако, успешно применяется в областях использования низкопотенциального тепла, которое раньше просто сбрасывалось в окружающую среду. Турбины «любят» такие рабочие тела, у них большая плотность, чем у водяного пара, поэтому скорости в сопловом аппарате турбины меньше и гораздо легче «упаковать» располагаемый теплоперепад установки в относительно небольшой, малоступенчатой турбине при приемлемых оборотах. Но в нашем случае, лучшего рабочего тела, чем вода, для паровой машины Господь не создал. Хотите верьте, хотите проверьте. Я поверил американским экспертам, а лишних денег на набивание собственных шишек у меня нет, к сожалению.
Паровой котёлъ
Пар, который приводит в движение машину, получается в котле. Без него самая совершенная паровая машина останется куском металла, жизнь в который может вдохнуть только пар высокого давления, выходящий из котла. Можно сказать, что паровая машина начинается с котла. Как мы уже видели, малый объём воды при её испарении превращается в большой объём пара, который занимая небольшое пространство в котором он образовался, обретает большое давление. Котлы первых пароатмосферных машин были похожи на простые круглые котлы, которые в те времена порой отливали из чугуна. Но как только паровые машины перешли на повышенные давления, чугун заменили на железо. Уже котёл повозки Р. Тревитика был прототипом огнетрубных котлов, которые двигали локомотивы до середины прошлого века на всех магистралях мира, а где-нибудь двигают и до сих пор. Котёл Тревитика имел все основные черты присущие им, а именно - жаровую трубу, практически во всю длину цилиндрического барабана котла и в которой находилась топка и две дымогарных трубы диаметром 6 дюймов, приплюснутые до эллипсности 7/5 дюймов по осям.
Общие характеристика котла повозки Тревитика таковы:
1. Диаметр котла 30 дюймов
2. Длина котла 33 дюймов
3. Диаметр жаровой трубы топки, 21 дюйм
4. Общая площадь теплообмена 21 квадратный Фут.
5. Давление 2 ат.
Толщина стенок барабана котла - четверть дюйма. Котёл производил около 150 кг/час пара, и весила вся установка с машиной, мощностью 3 л.с., цилиндр которой находился внутри котла - 306 кг.
Через пятьдесят лет над окрестностями Парижа пролетел дирижабль Генри Гиффарда. Машина дирижабля такой же мощности что у Тревитика - 3 л.с. с котлом, весила всего 462 фунта. То есть примерно на треть меньше, хотя может быть данные о машине Тревитика приведены в пустом виде, а установки Гиффарда с водой и топливом. Всего через тридцать лет паровая силовая установка А.Ф. Можайского для его самолёта весила всего 5,5 кг на 1 лс развиваемой мощности и была самым лёгким двигателем в мире на тот момент.
Но вернемся к нашим баранам. В последующих котлах стали применять большее количество дымогарных труб с большой поверхностью, что дало возможность увеличить количество пара, производимого котлом, его давление, и соответственно мощность паровой машины. Эти котлы называются огнетрубными, в них по трубам идут горячие газы. Циркуляция воды в таких котлах происходит естественным образом путём конвекции. В котлах этого типа в основном барабане всегда есть граница разделения жидкой и газообразной фаз. Она называется зеркалом испарения. По мере выкипания воды, уровень в котле начинает опускаться и может стать ниже дымогарных труб. Это грозит тем, что лишенные охлаждения водой, эти трубы начнут нагреваться до температур слишком высоких, при которых металл, из которого они сделаны, потеряет свою прочность. Перегрев дымогарных труб может привести к тому, что под давлением такая перегретая труба может лопнуть. Она так же может начать интенсивно окисляться и прогореть. Поэтому за уровнем воды в котле необходимо постоянно следить и по мере его уменьшения добавлять в котёл воду. Поскольку котёл находится под давлением, для закачки воды в него необходим насос, который может это давление преодолеть. Такой насос называется питательным. Мощность, расходуемая на привод насоса, это вторая неизбежная потеря в цикле Ренкина.
Питательные насосы небольшой производительности, как правило, делаются поршневого (плунжерного) типа. Питательный насос может быть одно- и многоцилиндровым. Уровень воды в первых паровых котлах наблюдали через водомерное стекло. Оно представляет собой стеклянную трубку, соединённую сверху с паровым, а снизу с водяным пространством котла. Согласно закону сообщающихся сосудов уровень воды в трубке устанавливается такой же, как в котле. Существуют конструкции водомерных стёкол с плоским стеклом. Современные котлы имеют различного рода датчики уровня, которые могут автоматически включать и выключать подачу воды для удержания уровня в котле в заданных пределах.
Поскольку в котле происходит два основных процесса, - горение топлива и нагрев и кипение воды, необходимо разсмотреть каждый из них. Невозможно сконструировать котёл, в отрыве от разсмотрения вида используемого топлива и способа его сжигания, то есть устройства топки. Можно с уверенностью сказать, что подобно тому, как сердцем паровой машины является котёл, так сердцем котла является его топка или другое устройство для сжигания топлива. Назовем его камерой сгорания или сжигателем. В своё время, когда я читал журналы «Стим Аутомобайлс», я удивлялся, почему американцы так носятся со сжигателями (burner), чего тут такого особенно сложного - сжечь энное количество даже не угля, а керосина или печного жидкого топлива, которые используют в основном для своих паровых автомобилей англосаксы. Но только потом, подойдя вплотную к конструированию котла для парового мотоцикла, я понял, насколько важен этот вопрос. Можно с уверенностью заявить, что конструирование паросиловой установки начинается с конструирования топки котла.
В топках огнетрубных котлов широко применявшихся в прошлом на паровозах использовали в качестве топлива уголь. Сама топка находилась внутри барабана котла и ничем, по сути, не отличалась от железной буржуйки больших размеров, помещённой внутрь большой водяной цистерны. Уголь подбрасывал по мере его выгорания кочегар, который по команде машиниста то задавал топке жару, то наоборот гасил её. Горячие газы выходили из топки через большое количество дымогарных труб, которые пронизывают всю эту цистерну, заполненную водой, или правильно сказать, барабан котла. Трубы отдают тепло воде. Паропроизводительность огнетрубных котлов не превышает 16-19 кг пара/час с 1 м2 поверхности теплопередачи. Огнетрубный котёл очень подходит для сжигания в нём твёрдого топлива. Применение именно твёрдого топлива, а особенно дров, может дать преимущество паровому транспорту перед транспортом на двигателях внутреннего сгорания. Для применения твёрдого топлива на автомобиле, а тем более мотоцикле мы не можем позволить себе иметь кочегара, который бы держал пар в котле, так же неудобно водителю, занятому дорогой заниматься параллельно подбрасыванием дров в топку, поэтому сжигание дров должно происходить без участия человека, автоматически.
Заложив в бункер партию дров, подобно тому, как мы заливаем бак автомобиля горючим, водитель не должен во время езды больше безпокоиться о них, до тех пор, пока они не сгорят. Дрова в бункере должны сами опускаться в зону горения по мере необходимости, силой тяжести или иного механизма. Гравитационный принцип подачи дров в камеру горения был использован в паровом грузовике НАМИ 012, который был сконструирован после Советско-Германской войны, когда возникла проблема с жидким топливом. В этом грузовике бункер с дровами находился сзади кабины водителя и снизу имел наклонные колосниковые решётки, на которые опускались дрова. Воздух под колосники подавался от вентилятора, и пламя с горячими газами выходило вбок и далее вверх под водотрубный котёл. Количество тепла подводимого к котлу регулировалось подачей воздуха. Котёл был водотрубным с естественной циркуляцией и барабаном, имел 8 м2 теплопередающей поверхности и производил 600 кг пара в час с давлением 25 бар и температурой 425 градусов. Такой принцип устройства топки наиболее подходит для использования твёрдого топлива на автомобиле или тракторе, если твёрдое топливо представляет собой большие тяжёлые куски. Был так же создан и паровой трактор в рамках этого проекта. Если топливо размолото в пыль, топка должна быть устроена по-другому.
Топку такого «сжигателя» можно ещё более усовершенствовать. Колосники как элемент склонный к прогоранию можно вообще убрать, пусть дрова опускаются на наклонный под, выложенный огнеупором. Воздух для горения нужно разделить на два потока. Первичный воздух будет вызывать режим тления и неполного сгорания древесины с образованием газообразных продуктов пиролиза представляющих из себя смесь горючих и негорючих газов. Этот первичный воздух будем подавать со стороны более высокой части пода и по его периметру. При необходимости увеличить мощность горения, зону подачи первичного воздуха и его количество надо увеличивать. Выход пиролизных газов будет через щель у нижней его части. В струю этих горячих и горючих газов направим поток вторичного воздуха. Газы догорая, образуют мощный факел с высокой температурой, который и будет нагревать трубы котла. Такую конструкцию ещё надо проработать и практически определить, как конкретно она должна быть устроена. Вопрос регулируемого сжигания твердого топлива не так прост, однако как кажется на первый взгляд.
Такое расположение топки хоть и не идеально, но уже позволяет уменьшить влияние её тепловой инерции на процесс регулирования работы котла при переменных режимах. Поэтому при использовании котлов с малым содержанием воды, например прямоточных, в момент, когда нам совершенно не нужен пар, такую топку, скорее всего, придётся отсекать от пространства котла теплоизолирующим шибером. Если же котёл объёмного типа, особенно огнетрубный, то его собственная тепловая инерция может оказаться достаточной, чтобы принять в себя этот избыток тепла и запасти его энергию в пространстве котла.
К сожалению, огнетрубный котёл, в котором довольно легко использовать твёрдое топливо обладает недостатками, которые заставили в своё время отказаться от него на паровых автомобилях. Основным недостатком такого котла является его большой вес на единицу производимого пара в час. Другой его недостаток – опасность в связи с большим объёмом воды, находящейся в нём при температуре насыщения под большим давлением. Если эта вода в нём «найдёт дырочку», то произойдёт её мгновенное вскипание и выделение больших объёмов пара, что может привести к взрыву. Когда практически все паровые котлы были огнетрубными, такие аварии периодически происходили и число жертв, принесённых королю Пару, весьма велико, поэтому был разработан целый кодекс законов и сертификатов, по которым котлонадзоры всех стран производили проверку паровых котлов. Поэтому котёл объёмного типа при изготовлении обязательно должен быть сертифицирован котлонадзором и проверен на прочность давлением, превышающим рабочее, по крайней мере, вдвое. Впрочем, проверку должны обязательно пройти и любые другие виды котлов.
Помимо огнетрубных существует другой класс котлов – водотрубные котлы, в которых по трубам, принимающим тепло энергии сгорания топлива, циркулирует вода. Водотрубные котлы делятся в свою очередь на барабанные, с естественной или искусственной циркуляцией и прямоточные – монотрубные котлы.
Прямоточный котёл
В наше время среди любителей паровой тяги большую популярность занимает прямоточный котёл. Чаще всего он ассоциируется с котлом Абнера Добля, американского создателя совершенной, для своего времени модели парового автомобиля. По сути своего устройства такой котёл представляет собой длинную трубу, обогреваемую теплом сгораемого топлива, в которую с одной стороны входит вода, а с другой выходит пар. Не случайно такой котёл ещё называют монотрубным. Такой котёл прост в изготовлении, безопасен в эксплуатации, имеет отличные массогабаритные показатели по сравнению с другими типами котлов.
Оно хоть прямоточный котёл и безопасен, но внезапная потеря пара в сложной дорожной ситуации может здорово осложнить жизнь, поэтому он тоже должен быть проверен тщательно на прочность. Один из первых котлов прямоточного типа применил на автомобиле француз Серполе. Его котёл не имел практически никаких регулировок. Топка, работавшая на угле, практически никак не регулировалась, и подобно топкам паровозов могла быть постепенно притушена и так же постепенно раскочегарена. В раскалённые приплюснутые трубки, залитые чугуном, образующим толстые "рубашки", для предохранения труб от жара и удержания у них сплюснутой формы по мере необходимости в паре впрыскивалась вода и от тепла, накопленного в трубках с рубашками, мгновенно превращалась в пар. Это тепло давало котлу Серполе резерв пара. Эти чугунные рубашки, кстати, можно снабдить оребрением, чем весьма увеличить площадь теплопередачи.
Однако такой принцип работы котла неэкономичен. Очень много тепла уходит в трубу, когда машина работает на малых режимах или на время останавливается. Кроме того перегретые трубы, даже снабженные толстыми чугунными рубашками склонны прогорать, особенно в зонах интенсивной передачи тепла, где они нагреваются докрасна. Из-за этого конструкционного перегрева металла труб, котёл Серполе этого типа с толстыми трубами был очень тяжёл. Не случайно, в более поздних моделях своих автомобилей Серполе отказался от такого принципа работы котла и перешёл к регулированию горения в соответствии с отбором пара.
На первый взгляд намотать энное количество катушек из энного количества витков и изготовить прямоточный котёл из подходящей трубы не представляется особо сложным. В принципе так оно и есть, при определенных навыках и наличии некоторых несложных приспособлений такие котлы наматываются даже в условиях гаражной мастерской и даже балкона. Но изготовление змеевиков котла это ещё далеко не все проблемы, которые должен решить изготовитель прямоточного котла. Какие же вопросы встанут перед человеком, который задумал построить прямоточный котёл? Самый первый, - а сколько же нужно этой самой трубы и как расположить катушки, если не циклиться на конфигурации классического котла Добля и не воспроизводить его один к одному? Ведь расположение катушек может быть различным, в зависимости от компоновки, условий теплопередачи и технологии изготовления. Ведь кроме классического котла Добля существуют десятки других конструкций прямоточных колов и некоторые из них превосходят этот неплохой по всем показателям парогенератор. Из каких же соображений выбирать длину трубы? Замечу сразу, что "труба" у котла Добля (КД) состоит из труб разного диаметра с его увеличением по длине от начала к концу котла. Для чего это сделано, думаю понятно. Можно конечно углубиться в скрупулёзный расчёт, отталкиваясь от теории теплопередачи, но такая задача пока не входит в рамки данного текста. Мы просто воспользуемся общими средними практическими данными, хотя для серьёзного проектирования хорошего котла мимо расчётов не пройти. В среднем известно, что для котлов такого типа с одного квадратного метра поверхности теплообмена можно снять порядка 100 кг/час пара. Тогда возникает вопрос, а сколько пара нам надо? Это зависит от мощности машины и кпд реализованного цикла. Чем эффективнее реализован цикл, тем меньше надо пара на единицу вырабатываемой машиной мощности.
На какой же расход пара следует ориентироваться паромоторостроителю-самодельщику? Для России, где у любителей практически нет серьёзных наработок и знаний в области паровых машин, можно ориентироваться на показатели автомобилей Стенли, как наиболее неэкономичных. Они потребляли от 18 до 20 фунтов (8-9 кг) пара на 1 л.с. развиваемой мощности в час. Отмечу, что давление в котле этих автомобилей было около 35 бар, а в паровой коробке машины в среднем, примерно вдвое меньше. Пар в исторических автомобилях Стенли был насыщенным или едва-едва перегретым. Машина была классической конструкции с плоским коробчатым золотником, то есть самой неэкономичной конфигурации. При всём при этом, общий кпд установки на дороге был до 7%. Примерно такой же КПД имел знаменитый грузовик НАМИ 012, построенный после Советско-Германской войны в Cовдепии спустя полвека. Он был гораздо совершеннее по своей концепции, однако переплюнуть Стенли ему не удалось. Но вернёмся к прямоточному котлу.
Допустим, Вы определились с величиной необходимой площади теплообмена. При этом следует всегда заложить некоторый избыток, так как резерв мощности никогда не повредит. Встаёт задача о расположении катушек, числа витков, о соотношениях длин для труб разного диаметра, если Вы приняли решение применить трубы разного диаметра для разных зон нагрева. Можно и, наверное, даже нужно для первого котла взять трубу одного диаметра или максимум двух для простоты. При наматывании катушек следует добиваться соблюдения условий максимальной теплопередачи, а это значит надо по максимуму использовать радиационный теплообмен, эффективность которого наибольшая. В конвективной части надо постараться добиться максимальной скорости газов и турбулентности потока, хотя скорость газов палка о двух концах и повышать её свыше определенного предела не нужно, потому что сопротивление газового тракта не должно быть слишком большим по соображениям тяги и мощности дутьевого вентилятора. В докладе NASA 70-х годов прошлого века рекомендовались следующие расстояния между труб в плоских катушках. В ряду поперек потока около 1.4 d между центрами труб, а вдоль потока 1 d. Трубки располагаются в шахматном порядке. При такой плотности пучков труб достигается минимизация размеров котла при хорошей эффективности теплопередачи. Надо добавить, что эти данные соответствуют наиболее горячей зоне котла, и в этой рекомендации не учитывалось увеличение плотности газов по мере их охлаждения. В более холодной части газового тракта трубы должны быть уложены плотнее. Везде где можно, необходимо применять принцип противотока. Путь конструирования котла, как и любого устройства, это путь компромиссов и выборов. Ситуация всегда будет такой, которая описывается словами голову вынули, ноги увязли.
Но допустим, Вы решили все эти согласования, обошли все трудности конструирования, изготовления и построили свой котёл. Теперь перед Вами встаёт задача его регулирования. Поэтому сейчас я хотел бы остановиться на главной трудности, которая присуща всем прямоточным котлам, особенно котлам для транспортных установок и котлам, работающим в условиях частых переменных нагрузок. Имея в себе небольшой запас воды, прямоточный котёл должен очень быстро реагировать на изменение мощности машины. Иначе машина может его быстро высушить до "дна", если питательный насос адекватно не отреагирует на резкое повышение её нагрузки и повышения в связи с этим расхода пара. Это чревато прогоранием труб, потому что при повышении мощности автоматика будет стремиться дать побольше "огня". Или наоборот, машина может получить "глоток воды" при резком снижении развиваемой мощности, если питательный насос так же не среагирует вовремя. Это чревато для машины летальным исходом.
Итак, что же мы видим? Питание водой прямоточного котла при его работе должно быть непрерывным и точно соответствовать потреблению пара в каждый момент времени. Из-за того, что в прямоточном котле воды очень немного, скорость срабатывания системы регулирования котла должна быть достаточно высокой. Подача воды должна быстро и точно реагировать на изменение нагрузки. Для изменения производительности питательного насоса можно или изменять его обороты, или величину его рабочего хода (вытесняемый объём), или иметь байпас насоса с управляемым клапаном, чтобы иметь возможность быстро сбросить избыток воды с напора насоса обратно в бак. Можно скомбинировать несколько этих вариантов управления подачей насоса. Но как насос узнает, что ему надо увеличить или уменьшить подачу?
Место, где в трубе прямоточного котла заканчивается вода и начинается пар, то есть зона фазового перехода не имеет чётко выраженных границ и постоянно смещается вокруг некоторой точки в ту или другую сторону от того места где, согласно расчёта, количество подведённого тепла уже достаточно для фазового перехода. Если считать в процентах от длины трубы, то для прямоточного котла, для довольно широкого ряда давлений, по эмпирическим данным - примерно 60% зона экономайзера, 20% зона объемного кипения, 10% зона плёночного кипения и 10% зона пароперегревателя. При увеличении расчётного давления на подогрев воды (зона экономайзера) потребуется увеличение относительной площади. Произойдёт уменьшение зоны испарения и пароперегрева, а при уменьшении давления, наоборот. Уже в зоне плёночного кипения температура пара начинает повышаться от температуры насыщения, которую имеет вся зона перехода фаз. Примерно в этом месте должен стоять датчик температуры. В некоторых котлах этот датчик температуры стоит на выходе из котла.
У Добля этим датчиком служил кварцевый регулятор, который измерял температуру, используя разницу коэффициентов температурного расширения кварца и стали. Увеличение температуры выше определенного значения, соответствующего нормальной работе котла, означает что "уровень" воды в котле понизился, и эта зона попала в зону перегрева пара. Разница тепловых расширений кварцевого стержня и стальной трубки, в которой находится стержень, вызывает прикрытие байпаса питательного насоса и увеличение поступления воды в котёл. Этот процесс регулирования имеет очень большую инерционность по сравнению с очень малой инерционностью самого котла, и поэтому нельзя дожидаться, когда кварцевый регулятор остынет естественным образом, вследствие подъёма уровня воды в котле, иначе вода по инерции быстро достигнет машины со всеми вытекающими из этого неприятностями. Чтобы быстро остудить перегретый регулятор у котла Добля был применен впрыск воды через точно подобранное отверстие в точке перед регулятором. Это устройство назвали нормализатором. Фактическим изобретателем его явился шофёр испытывавший автомобиль Добля, Паки Нолан. Утомлённый скачками уровня в котле и соответствующими колебаниями температуры, при испытаниях модели D, в которой ещё не было никакого нормализатора, он сказал – нельзя ли как то успокоить эти скачки температуры? Нельзя ли попис..ть струйку воды в начале пароперегревателя перед регулятором? Добль запатентовал нормализатор со скоростью света. Имени Нолана в списке соавторов, однако, не оказалось. (Абнер Добль был человек гордый, и многие податели подобных идей всплыли гораздо позже, и не найдены в списках соавторов его изобретений.) Впрыск осуществлялся одновременно с закрытием байпаса питательного насоса. В поздних моделях Добль применил второй нормализатор, на выходе из котла, чтобы регулировать температуру выходящего пара в жёстко заданных пределах, при сильных перегрузках котла, что тоже очень важно, если мы не хотим сжечь масло в машине. Жиклёр для впрыска воды подбирали при настройке автоматики для каждого котла индивидуально.
В наше время задачу измерения температуры может взять на себя термопара, которая будет управлять производительностью насоса и подачей воды в нормализатор. Это можно сделать средствами электроники и электромеханики, хотя введение электроуправления в паровую систему имеет очень много противников, потому что эти системы ненадёжны. Добль, внедрив электрические системы управления в свои автомобили, внёс очень большой элемент ненадёжности в их работу и добавил сложности с их обслуживанием. Существует множество различных других вариантов датчиков температуры для прямоточных котлов. Например, можно использовать регулировку по патенту Р. Смита. Там датчиком температуры является прямой длинный кусок паропровода, выходящего из котла. Этот прямой отрезок с одной стороны закреплён, а с другой он может свободно расширяться и при своём расширении посредством рычага с большим плечом приводить в действие клапан байпаса или микровыключатель электроклапана его. Полуметровый кусок стальной трубы при нагревании на 10С в диапазоне температур около 300С удлиняется примерно на 0.07 мм, поэтому система должна ловить хотя бы половину от этого значения, а лучше ещё меньше. При такой системе тоже не надо забывать о нормализаторе, в этих системах обратная связь необходима. В любом случае управление монотрубным котлом является чем-то вроде танцев на канате. Впрочем, скорость срабатывания и термопар и механических регуляторов, которые здесь описаны и список которых ими не исчерпывается, в принципе достаточна для применения прямоточного котла даже на автомобилях, не говоря о стационарных установках. Надо ещё добавить, что такой котёл требует употребления дистиллированной воды, очень тщательного подхода к очистке питательной воды от масла в системе с конденсацией и регулярных продувок и мероприятий по удалению отложений внутри трубы котла. Существует, однако, и другая конструкция котла, которая позволяет на порядок упростить регулировку и получить более надёжный котёл, чем котёл Добля. Прежде всего, имеется в виду котёл Ламонта. Но о нём позже.
Есть ещё один способ регулирования прямоточного котла. Вместо кварцевого регулятора в месте, где он находился, труба котла разрывается и туда врезается «стояк» (stand pipe). Этот стояк делается из трубы большого диаметра, и достаточной для сепарации высоты. Он образует как бы небольшой барабан-сепаратор в котором существует чётко выраженный уровень. Объём стояка добавляет котлу резерва, поэтому его надо выбрать достаточным, скажем, объёмов пять(?)-10 воды в трубе змеевика до него, может быть и больше. В такой же степени увеличится критическое время, за которое система регулирования котла должна сработать. Резерва должно быть достаточно, чтобы иметь возможность питать им машину хотя бы половину минуты. Тогда запас времени для того чтобы система контроля сработала, увеличится в той же степени. (Надо сказать, что наличие достаточного резерва является в огромной степени необходимым для транспортного средства. Без него это средство сильно теряет в своих динамических характеристиках.) В этом барабане уже можно мерить уровень и регулировать подачу воды в котёл в соответствии с ним. Если уровень воды в барабане стал слишком большим, производительность питательного насоса надо уменьшить, а если мал – увеличить. Можно применить так называемый контроль Вотермана. Он осуществляется посредством применения парового насоса.
Паровой насос представляет собой устройство, состоящее из парового и водяного цилиндров, связанных непосредственно. Шток парового поршня соединён со штоком плунжера насоса. Никаких колёс и преобразований во вращательное движение. Конструкций парового насоса может быть множество, как правило, паровая часть представляет собой цилиндр паровой машины двойного действия. Все паровые насосы имеют полную степень наполнения цилиндра, то есть пар входит в рабочий паровой цилиндр практически весь ход поршня и работают насыщенным и влажным паром. Такой тяни-толкай, в Америке называют Ослиный насос (Donkey pump). Если запитать такой насос паром из барабана, в котором мы хотим регулировать некий уровень в точке, где находится этот самый уровень, появляется прекрасная возможность держать этот уровень постоянным, не имея больше никакой нужды в дополнительных датчиках и регуляторах. Единственное условие, производительность этого насоса по воде должна превышать максимальное потребление пара.
Когда уровень низок и в насос поступает чистый пар, то производительность насоса высокая и уровень в барабане начинает повышаться. Когда он повышается и начинает подбрызгивать воду в насос, то последний начинает замедляться, а когда туда поступает чистая вода, то и вовсе начинает работать очень медленно, но он, тем не менее, продолжает работу подобно поршневому гидромотору. Уровень в котле начинает падать, поскольку производительность насоса упала. И так всё время. Уровень в барабане не может превысить точки, где запитан паровой питательный насос, система получается полностью саморегулируемая. Встроить в систему паровой насос можно двумя способами, пар на выходе из него может идти дальше в тракт пароперегревателя и в машину или же он может выходить через подогреватель питательной воды в конденсатор. Что лучше и как избежать попадания слишком большого количества воды в пароперегреватель при первом способе включения парового насоса, можно определить только из практики.
Такая система монотрубника с барабаном очень удобна. На старте, если барабан пуст, время запуска котла такое же, как и прямоточного, но зато когда по мере движения резервуар наполнится, у Вас будет хороший резерв пара для выполнения необходимых манёвров при движении. В котлах системы spill-over Беслера питательный насос подавал всегда некоторый избыток воды (10-20%), и этот избыток постоянно стравливался из стояка и через подогреватель питательной воды и подавался на вход питательного насоса. Уровень регулировался игольчатым, клапаном через который стравливалась лишняя вода из барабана. Эта система является некоторым аналогом котла Ламонта с очень малой кратностью рециркуляции 1,1-1,2. Однако питательный насос требует больших затрат энергии на привод, что в совокупности с теплом потерянным при стравливании из барабана приводило к некоторому снижению экономичности котлов системы спилл-оувер.
Можно, вероятно поступить и другим способом. Уменьшив подачу воды в котёл просто подождать, когда её избыток в стояке-барабане испарится за счёт того, что при уменьшенной подаче воды в барабан начнёт попадать пар несколько перегретый и будет испарять лишнюю воду из него. Можно и вовсе поместить стояк в зону котла, чтобы он тоже постоянно грелся. Тогда при уменьшении подачи воды произойдёт ещё более быстрое уменьшение её уровня. При таком способе регулирования с барабаном-стояком можно отказаться от использования кварцевого регулятора или других температурных датчиков для измерения уровня воды. Уровень воды в стояке можно мерить уже любым прямым измерителем уровня, от поплавкового до расширительной трубы Стенли или электроконтактного датчика сделанного из обычной автомобильной свечи зажигания. Такая система представляется наиболее подходящей для самодельщика. Барабан-стояк заменяет сложный кварцевый регулятор и избавляет от проблем с температурными датчиками. Хотя надо хорошо продумать такую ситуацию, если уровень в стояке больше нормы, а в трубу испарительной части подаётся слишком мало воды, так что она начинает перегреваться. Поскольку воды много, то питательный насос работает на байпас, а пара для работы машины поступает в норме и датчик давления не отключает горелку. Поэтому труба испарительной части может перегреться. Как мы узнаем, что такая ситуация наступила? Просится температурный датчик на выходе из испарительной секции. Но может быть эта ситуация надуманная и никакой опасности такого рода не существует. Этот же барабан даёт нам хороший резерв пара для резкого увеличения мощности.
На выходе из котла температурный датчик иметь всё-таки также желательно для контроля температуры рабочего пара, уровень, которой можно понижать в случае чего впрыском воды или подачей насыщенного пара из барабана, что лучше из-за того, что в паре нет растворённых солей.
Одним лишь только регулированием подачи воды в котёл дело, однако, не исчерпывается, ведь эту воду надо превратить в пар, что делает тепло выделяемое при сгорании топлива. Поэтому необходимо так же помнить о необходимости регулирования интенсивности горения, которое должно изменяться соответственно изменению нагрузки машины. Какой параметр должен вызывать изменение количества подводимого в котле тепла в соответствии с потреблением пара? Предположим, что мы резко тормознули, или нагрузка генератора отключилась. Что произойдёт с котлом? Давление в нём начнёт повышаться, так как автомат прикроет поступление пара в машину или в случае «стоп машина» полностью перекроет пар. Ясно, что дальнейшее действие автоматики должно быстро погасить огонь в топке. Поскольку пар будет некоторое время продолжать выделяться, то излишек его надо или стравить, или накопить в ресивере. Таким образом, когда давление начинает превышать заданное, датчик давления должен отключить горелку, и наоборот. Так было сделано у Добля. Горелка котла Добля работала на бензине и керосине, поэтому осуществить режим работы ВКЛ/ВЫКЛ было относительно просто. Так и работал этот котёл, его горелка была однорежимной и постоянно, то включалась на полную мощь, то выключалась в соответствии с текущим режимом работы машины «среднеимпульсно» выделяя необходимое количество тепла. Тепловая инерция относительно толстостенных трубок котла своей тепловой инерцией гасила колебания параметров пара при этих импульсах горелки.
Но кого в наше время может интересовать паровая машина, работающая на бензине, если её к.п.д. не будет равен, или по крайней мере близок к.п.д. бензинового мотора? Если бы такую машину удалось создать, то все автомобилисты переключились бы на неё, потому что паровик имеет очень много преимуществ перед ДВС для применения на транспорте в качестве тяглового мотора, и только недостаточный к.п.д. современных ПМ при их несколько бОльшем весе не даёт паровику прорваться на арену массового применения. Вряд ли мы с вами сможем сразу построить такую экономичную паровую систему. Но стоило бы нам научиться использовать дрова и прочую биомассу как топливо, то паровик на уровне уже достигнутых в прошлом веке результатов сразу приобрёл бы популярность, хотя и был бы поначалу несколько неуклюж, как и все прототипы современных мощных моторов. (Так и представляется этакий паровой полугрузовичок типа УАЗ фермер с бункером всяких сухих початков и прочих плевел за кабиной. ;-) Так вот в случае питания монотрубного котла дровами, возникает сложность с отключением топки. То есть реализовать режим ВКЛ/ВЫКЛ в этом случае весьма затруднительно.
В Америке когда то жил человек по имени Джон Ветз. Он тоже любил пар и паровые машины. Джон был очень беден и не имел металлорежущих станков, поэтому его машины были сконструированы так, чтобы избежать по возможности станочных работ. Это был талантливый кулибин и изобретатель. Он создал целый ряд паровых устройств, автомобиля и садового трактора на принципе пиролизного(газогенераторного) сжигания древесины, выполненных из подручных средств, при помощи «ножовки по металлу и кувалды». Он придумал, как совместить сжигание твёрдого топлива с монотрубным котлом, и при этом сохранить гибкость регулирования присущую таким котлам на жидком топливе. Для того чтобы не перегревать котёл жаром от углей, при остановке или резком уменьшении потребления пара, он сделал обогрев своего котла сверху как и положено котлу Добля. Намотан был котёл так же по подобию котла Д.. Над котлом установлен бункер с дровами из железной бочки, и топка устроена наподобие пиролизного котла или газификатора. В горючие газы, выходящие из зоны пиролиза, подаётся вторичный воздух, и эта горелка на твёрдом топливе греет котёл. Её можно даже отключить, как горелку Добля, отключив вентилятор подачи воздуха. Один недостаток, этот котёл слишком высокий.
Можно, однако, сам котел повернуть на 90 градусов и расположить под углом от бункера-горелки. Система регулирования питания котла Джона Ветза, это предмет для долгого и обстоятельного изучения, ибо при всей кажущейся её простоте и примитивном устройстве, я до сих пор никак не пойму как она работает. Однако, по отзывам людей, запускавших его систему, работает она хорошо. Система же очень проста по устройству и работает тоже за счёт расширения металлического паропровода, который через рычаг давит на кнопку микровыключателя соленоидного клапана байпаса питательного насоса.
Постоянно осуществлять ВКЛ/ВЫКЛ режим не обязательно. На автомобилях Уайт был применен пропорциональный режим изменения интенсивности горения в соответствии с поступающей в котёл водой. Это делал специальный регулятор, который Уайты назвали флоумотор. Он следил, чтобы вода и топливо подавались в котёл в строгой пропорции на любых режимах работы двигателя. Сигнал на увеличение/уменьшение подачи воды давал датчик давления в котле. Изменение давления приводило в движение поршенёк флоумотора, и тот реагировал изменением подачи воды и топлива в нужном количестве и в нужной пропорции. За перегревом пара следил термостат наподобие кварцевого регулятора Добля, только стержень его был медным. Расширяясь гораздо сильнее чугунной трубы, в которой он находился, этот медный стержень управлял иглой водяного клапана, который добавлял воды, если пар слишком перегрелся.
Вот как описывает авторитетный эксперт в области паровых автомобилей Джим Кранк работу системы управления автомобиля Уайт.
Система контроля автомобилей Уайт
В истории несколько фирм создали автомобили с монотрубными (прямоточными) котлами. Их применение определяет создание системы контроля таких котлов, которая поддерживает постоянными температуру и давление. Фирмы эти Серполе, Добль и Уайт. Остальные фирмы, например Скот Ньюкомб, использовавшия прямоточные котлы не достигли уровня промышленного, коммерческого производства.
Братья Добль применили в регулировании котла системы электрического управления, чем внесли значительный уровень сложности, ненадёжности и трудности в обслуживании.
Ролланд Уайт в процессе создания своего автомобиля разработал две системы пропорционального контроля. В этом документе разсматривается вторая версия такой системы, в которой основным устройством служит флоумотор, хотя в системе работают все три главных компонента регулирования термостат, сам флоумотор и датчик давления.
При возстановлении автомобилей Уайт надо отдавать отчёт, что малейшие протечки или неправильная работа питательного насоса или засорение горелки или нагар на испарителе топлива чреваты нарушением работы системы регулирования. В отличие от Доблей или Стенли Уайты не допускают при реставрации никаких модификаций, «усовершенствований» и изменений и должны быть точно возстановлены до заводских настроек и параметров.
Система регулирования давления и температуры в автомобилях Уайт последних лет производства с 1907 по 1912 г имела высокую степень совершенства и однажды возстановленный до заводских кондиций Уайт, будет работать безотказно многие годы.
Система управления настолько надёжна, что у водителя есть только один ручной орган управления этой системой – кран полного отключения топлива, всё остальное делает автоматика.
Стоит отметить некоторые черты автомобилей Уайт, чтобы показать насколько серьёзный инженерный подход был у Ролланда Уайта к процессу их создания.
Компаунд машина с поршневым золотником, работавшая на подшипниках качения, использовавшая простой орган парораспределения системы Джоя, потребляла 12 фунтов пара в час на 1 лс, что по тем временам было неплохим показателем. В совокупности с достаточно эффективным конденсатором это давало автомобилю 150 миль радиуса действия на одной заправке воды, что значительно превосходило автомобили Стенли.
Жизнеспособная горелка испарительного типа была очень грамотно сконструирована и справлялась с потребностями в паре для любых режимов работы. Испарительную секцию горелки можно было достать для осмотра, чистки или ремонта не разбирая саму камеру горения.
Так же легко можно было достать первичную горелку, разсоединив всего одно винтовое соединение труб. Праймер, или первичная горелка работала на бензине. Как и до 1910 г. сами автомобили Уайт, которые позднее перевели на керосин, для чего надо было заменить испаритель.
Вентилятор большой производительности с приводом от основной машины обезпечивал конденсатор хорошим потоком охлаждающего воздуха.
Вакуумный насос не только втягивал конденсат в основной бак, но и поддерживал в конденсаторе некоторый вакуум и деаэрировал питательную воду.
Эффективный паровой подогреватель питательной воды, в выхлопной системе машины.
Введение двухступенчатой коробки передач с нейтралью, одно из удобнейших и новаторских введений Уайта в конструкцию парового автомобиля.
Владельцам Уайтов надо чётко понимать, что их автомобиль должен поддерживаться, так как его создали изготовители, и не терпит никаких модернизаций. Все кто вносил какие-нибудь усовершенствования в любой из компонентов регулирования, обнаружили неудовлетворительную работу системы контроля. Если это правило по точному восстановлению систем соблюдено, то Вы получите надёжный в работе автомобиль, на многие годы избавляющий Вас от излишних забот. А если пренебрежёте, получите постоянный источник для разочарований и раздражения.
Полезно для начала описать работу и устройство каждого из компонентов системы контроля Уайта прежде чем изложить как они взаимодействуют между собой в процессе регулирования.
Система содержит три основных компонента.
По терминологии Уайта - регулятор воды или водяной регулятор, термостат и флоумотор.
Регулятор воды (Водяной регулятор) это клапан с мембраной, которая нагружена пружиной. Он перепускает всю воду назад в бак, когда давление достигло предписанного уровня и начинает его превышать.
Термостат, который представляет собой медный стержень, находящийся в чугунной трубке, через которую проходит основной пар из котла в машину.
Разница тепловых линейных расширений меди и чугуна приводит в движение игольчатый водяной клапан, который добавляет воду в её основной поток, прошедший через флоумотор и регулирует температуру пара в заданных пределах.
Флоумотор – устройство которое создаёт пропорциональные потоки воды и топлива при помощи поршенька загруженного пружиной, который под воздействием потока воды от питательного насоса управляет игольчатым клапаном подачи топлива в горелку.
Имеется так же байпас, который стравливает лишнюю воду в бак, когда нужная пропорция воды и топлива достигнута.
Питательный насос авто Уайт
Есть ещё одна замечательная сторона в автомобиле Уайт, которую часто не замечают. Это два плунжерных питательных насоса с производительностью вдвое больше потребной на скорости 18 миль/час и с передачей включенной на высшую ступень.
От правильного состояния этого сдвоенного насоса и его производительности в абсолютной степени зависит правильная работа регулирования котла всей системы Уайт. Особенно тщательного ухода требуют шариковые обратные клапана насосов и их сёдла. Насос снабжён буфером, сглаживающим пульсации в системе питания. Этот буфер имеет вид камеры с поршнем, нагруженным пружиной. Этот буфер врезан в линию питания сразу после насосов, он сглаживает гидроудары и пульсации в системе питания и связанными с ней регулирующими клапанами. Его состояние так же очень важно для работы системы. Пружина не должна быть слишком сильно ослабленной и поршень демпфера должен быть плотным. В случае ремонта новая пружина должна соответствовать расточенному гидроцилиндру демпфера.
Водяной регулятор
Это устройство служит основным регулятором давления. Когда оно открывает байпас полностью, то вся питательная вода стравливается назад в бак. Тогда флоумотор «думает», что машина остановлена и перекрывает топливо, подаваемое в котёл.
Это небольшое бронзовое устройство расположенное рядом с машиной в районе водяных насосов имеет латунную диафрагму, которая «видит» давление в котле и посредством рычага открывает или закрывает байпас насосов. Диафрагма нагружена мощной пружиной, которая противостоит давлению котла (600 psi или ок.42 ат). Это очень сильная пружина, настолько сильная, что для её настройки Уайт применил небольшую червячную передачу для привода регулирующего устройства, изменяющего напряжение пружины для регулировки соответствия рабочему давлению. Это устройство имеет небольшой приводной вал, который через уплотнение выходит наружу.
Диафрагма небольшим штоком давит на малое плечо рычага, который увеличивает величину перемещения и другим своим концом воздействует на клапан байпаса, который в свою очередь может пропускать воду или через флоумотор в котёл или обратно в бак. Этот клапан носит название «Финнеган пин». Откуда появилось это название абсолютно неизвестно. Он имеет одно забавное свойство. Когда клапан начинает открываться, он издаёт отчётливо слышимое поскрипывание, по которому можно с уверенностью судить о том, что регулятор работает.
Зазор между клапаном байпаса (пином Финнегана) и его седлом должен быть от 1/16 до 5/64 дюйма. Отклонение от этих значений приведет к неправильной работе флоумотора и заставит его поршень скакать, что приведет к износу топливного клапана, если подъём Финеган пина слишком мал.
Паровая линия, подводящая давление к Водяному регулятору должна быть всегда заполнена маслом.
Флоумотор
Это сердце всей системы контроля автомобилей Уайт. Бронзовый цилиндрик с поршнем.
В нижней части цилиндра от поршня проходит шток игольчатого клапана подачи топлива через уплотнительный сальник. А вверху клапан байпаса воды.
Вся вода, которая идёт в парогенератор, идет через калиброванную клинообразную канавку в стенке цилиндра флоумотора. Пропускная способность этой канавки рассчитана очень точно для пропуска одного галлона воды за 1 минуту 45 секунд для 20-ти сильной машины. Очень важно чтобы вся вода шла именно через канавку, а не просачивалась через неплотность поршня. Плотность поршня имеет для системы регулирования кардинальное значение, любая неплотность нарушит всю работу системы регулирования. Поршень имеет четыре кольцевые канавки лабиринтного уплотнения, чтобы полностью исключить любые протечки.
Снизу поршня пружина, которая толкает его вверх, когда через цилиндр флоумотора нет потока воды. Когда давление воды от насосов равно нулю, пружина задвигает поршень наверх полностью. Игла топливного клапана, её уплотнительная втулка и седло клапана должны быть строго концентричны поршню и цилиндру флоумотора, чтобы исключить любые возможные перекосы и изгибы при работе.
Сверху в крышке цилиндра находится игольчатый клапан байпаса, загруженный пружиной. Игла байпаса покидает седло, когда поршень флоумотора сдвигается на один дюйм вниз. Ровно один дюйм. Отверстие клапана имеет небольшую конусообразность на входе для сглаживания водяного потока. Его диаметр имеет критическое значение. Чуть больше и слишком много воды уйдет в бак, чуть меньше и парогенератор начнет выдавать влажный пар, чего машина Уайта очень и очень не любит.
Бывает, что за годы пользования кончик иглы изнашивается, тогда надо выточить новую иглу, в точности соответствующую оригиналу и не пытаться просто подточить изношенную иглу.
Топливная игла имеет точно размеренный конус, как и водяная, и снабжена на конце тарелкой клапана, которая полностью перекрывает топливный поток когда надо отключить пламя в котле.
Расточка под топливную иглу должна быть так же очень точно откалибрована.
Сама игла ввинчивается в шток, который ввинчен в поршень флоумотора и который проходит через водяной сальник в его крышке.
Игла проходит через ещё один, топливный сальник в топливной части клапана. Оба сальника должны быть плотными и оба не должны быть слишком тугими, чтобы не допустить перекосов и изгиба иглы. Особенную плотность должен иметь топливный сальник, тогда как водяной «имеет право» реденько подкапывать.
Термостат
Третий важный элемент системы контроля Уайта это термостат. Его задача добавить в катушки котла воды, если температура пара превысит заданный уровень. Термостат представляет собой чугунную трубу, на выходе из парогенератора и перед входом в регулирующий дроссельный клапан. В этом чугунном патрубке помещён медный стержень. Этот стержень выходит за пределы своего кожуха через уплотнение.
Стержень посредством рычага воздействует на игольчатый водяной клапан, подобный клапану байпаса на верхней крышке флоумотора. На конце этого стержня выполнено гнездо для термометра и выступ с резьбой для навинчивания пирометра.
Некоторые владельцы Уайтов используют отверстие под термометр, для установки постоянно действующего термометра Вестон, используя специальную втулку с резьбой, запрессованную в это отверстие.
Нужно снова отметить, что калибр прохода для иглы водяного клапана имеет такое же критическое значение, как и остальных игольчатых регулирующих клапанов этой системы. Многие думают что этот термостат работает по принципу ВКЛ/ВЫКЛ. Нет это не так. Термостат начинает работать при 450F (232C) и полностью клапан открыт при 750 градусах Фаренгейта (ок.400С). Он плавно и пропорционально добавляет воду в котёл. Медный стержень, находящийся в чугунном кожухе постоянно омывается паром, идущим в машину и быстрее, и более сильно реагирует на изменение температуры, чем его чугунный кожух. Его относительное удлинение воздействует на иглу регулирующего клапана. Есть одна особенность этого стержня. Если однажды случится сильный перегрев, то медный стержень обычно приобретает небольшой изгиб посередине и вся система престаёт работать. Многие предлагают использовать вместо меди нержавеющую сталь или специальные сплавы, имеющие такой же, как у меди коэффициент теплового расширения.
Хотя если система настроена правильно, то такой перегрев не происходит.
Так выглядят основные компоненты системы регулирования автомобиля Уайт. Мощные питательные насосы, Водяной регулятор, который контролирует давление, Термостат, который удерживает температуру пара, и флоумотор, который управляет пропорциональной подачей топлива и воды в котёл.
Функционирование системы регулирования автомобиля Уайт
Итак, наш паровик весело мчит по дороге, всё прогрето и работает на устойчивом режиме. Представьте теперь, что давление превысило установленный уровень, Финеган пин открывается с легким скрипом и вся вода идет через байпас обратно в бак. Флоумотор «думает» что машина остановилась и перекрывает топливо.
Пропорциональное действие флоумотора это основной секрет всей работы системы управления Уайта.
Она проста по устройству, но взаимодействие терморегулятора и флоумотора наиболее замечательная идея. Насколько известно автору ни одна из систем и отдалённо не приблизилась ни к чему подобному, система Уайта уникальна.
Вода из клапана термостата входит через соединение в корпусе флоумотора, но входит ЗА поршнем(!), а не через канавку в стенке цилиндра. Это имеет эффект увеличения подачи воды в катушки котла, но не увеличивает подачу топлива. Поэтому температура падает, а давление остаётся постоянным.
Когда автомобиль движется медленно и байпас закрыт (потому что насосы Уайтов приводились в действие от основного вала машины и при медленной езде подавали мало воды), термостат добавляет воду в котёл, противодействуя неуклонному поднятию температуры. Он не влияет особенно на положение поршня флоумотора, если вообще сколько-нибудь влияет, он только добавляет воду в парогенератор. Регулятор давления (водяной регулятор) регулирует давление, а термостат регулирует температуру пара.Когда автомобиль движется быстро, происходит другая последовательность. Двигатель и насосы теперь работают быстро, байпас открыт, поршень флоумотора находится внизу и котёл получает всё топливо полностью.
Поскольку камера сгорания (горелка) авт. Уайта очень мощная, то температура пара, если не предпринять никаких шагов будет подниматься до перегрева.
Термостат начинает подавать воду под поршень флоумотора в таком большом количестве, что она совместно с пружиной начинает действовать на поршень и поднимает его. Но не до конца, когда поршень начинает двигаться вверх, он через перемещение игольчатого топливного клапана уменьшает подачу горючего в топку котла. Система работает не в режиме ВКЛ/ВЫКЛ, но все потоки постоянно и плавно изменяются в соответствии с условиями движения автомобиля.
Этот характер работы можно отследить, наблюдая за положением указателя температуры и давления топлива. Как только температура начинает подниматься, всего лишь на величину толщины стрелки, манометр давления топлива почти сразу показывает падение давления, подаваемого в горелку топлива от 55 psi до 30 или 35, к примеру. Температура падает очень быстро, отзываясь на это изменение расхода топлива и воды, подаваемых в котёл. Поршень флоумотора возвращается в исходное положение, и топливо вновь начинает подаваться в горелку полностью.
Этот процесс продолжается постоянно и когда система точно выставлена, температура пара изменяется очень мало.
Система регулирования Уайта постоянно корректирует подачу воды и топлива в котёл в зависимости от температуры. Температура выше, подача топлива уменьшается, а подача воды возрастает и наоборот. Термический гистерезис котла сглаживает эти пульсации. Пламя горелки не гаснет до конца, но постоянно модулируется в соответствии с потребностью машины в паре.
К сожалению, мне не удалось так запросто получить схемы устройств регулирования системы Уайт, Джим Кранк не смог загрузить картинки в свою статью и направил меня в архив клуба SACA, а клуб SACA запросил с меня 5 долларов за них, что непосильно для моего более чем скромного бюджета. К счастью, при помощи друзей удалось добыть вот эту схему от Лено
Ещё одну схему регулирования прямоточного котла предложил современный энтузиаст паровых автомобилей Анди Паттерсон. Его система представляет собой паровой насос, встроенный в основной поток пара в прямоточном котле, до перегревателя. По паровой стороне объём насоса больше объёма водяной части в соответствии с величинами удельных объёмов воды и пара при соответствующем (рабочем) давлении. Для давления примерно 1000 psi (70 ат) это соотношение будет 42/1. Тогда каждый килограмм пара, проходящий через паровой цилиндр насоса, будет закачивать в котёл килограмм воды, и таким образом будет достигаться точное соответствие потребляемого пара и подаваемой в котёл воды. Подача топлива может быть привязана к этому же насосу и корректироваться дополнительно датчиком давления. Но можно сделать её независимой и регулировать только по давлению. Такая система так же будет автоматически корректировать и изменение температуры. Если в паровую часть насоса будет подаваться более горячий пар, то его массовый расход будет меньше подаваемой воды за счёт уменьшения плотности пара, тогда большее количество воды в котле автоматически уменьшит температуру. Выхлоп такого парового насоса идёт в пароперегреватель и далее в машину. Падение давления через паровой насос крайне невелико и составляет доли процента от величины рабочего давления самого котла.
Оригинальную идею регулирования монотрубника придумал Гар Дикенсон. Он смонтировал котёл на шарнире, закреплённом на одном краю котла, а второй край подвесил на пружинной подвеске. Вес воды в котле таким образом можно взвесить, измеряя деформацию пружины. Если воды мало пружина будет приподнимать котёл и наоборот. Это изменение можно использовать для управления питательным насосом. Однако надо заметить, что такая конструкция не годится для транспортного средства из-за раскачки котла вне зависимости от веса в нём воды.
Пароперегреватель можно устроить так, чтобы при изменении режима работы, температура пара оставалась примерно постоянной. Чтобы этого добиться половина поверхности пароперегревателя должна иметь радиационный нагрев, при котором температура пара увеличивается с уменьшением его потока даже при уменьшении интенсивности горения. В зоне же конвективного теплообмена наоборот температура пара при уменьшении интенсивности горения уменьшится, потому что упадёт скорость течения горячих газов, от которой зависит коэффициент теплопередачи. Таким образом, если половина поверхности пароперегревателя греется радиационным потоком, а вторая половина находится в конвективной зоне, то на выходе из такого перегревателя получается примерно одинаковая температура при разных режимах. Так можно облегчить себе жизнь с регулировкой температуры острого пара, если не гнаться за особой точностью. Нужная температура задаётся конструкционно – длиной трубы пароперегревателя. Существует оригинальная идея высказанная другим участником американской дискуссии о паровых машинах Петром Броу. Идея заключается в том, что для регулирования температуры перегрева применяется шторка, для перекрытия части радиационного потока на пароперегреватель. Интенсивность горения твёрдого топлива можно регулировать изменением подачи воздуха в топку, если горение дров происходит сбоку или, что лучше, сверху катушек котла. В твёрдотопливном прямоточном котле Миропольского, который привлекает внимание многих своей простотой и который, по сути – самый обычный прямоточный котёл и кажется без каких либо регулировок, топка не случайно вынесена вбок, хотя этого явно недостаточно, чтобы избежать образования излишков пара на малых режимах. Лучше расположить эту топку сверху, и создать обратную тягу высокой трубой или дымососом.
Котёл Ламонта
Прямоточный котёл относится к классу котлов с принудительной циркуляцией. Поток рабочего тела по трубе котла в процессе теплообмена происходит под действием питательного насоса, то есть принудительно. Если позволяет устройство топки, например приспособленной для сжигания жидкого или газообразного топлива, то такой котёл можно расположить в пространстве любым образом, практически не изменив этим режима его работы. Это очень удобно в случае применения подобных котлов например на самолёте или ином транспортном средстве. Применение твёрдого топлива усложняет вопросы компоновки и расположения котла. Однако, несмотря на свои достоинства, прямоточные котлы имеют и присущие им недостатки. В таком котле слишком мал запас энергии запасённой в воде и паре при рабочем давлении, по причине очень малого объёма самого рабочего тела, находящегося в котле. Это и предопределяет повышенное требование быстрого и точного регулирования подачи воды и топлива в такой котёл в соответствии с изменениями нагрузки машины. Недостаточный резерв пара не позволяет достигнуть очень резкого увеличения мощности машины до размеров превышающих номинал. Прежде чем это можно было бы сделать, котёл должен успеть набрать повышенную мощность. Добль намеренно делал трубки своих котлов потолще, в них был резерв тепла, сглаживающий всякие скачки параметров. Второй недостаток прямоточного котла заключается в том, что процесс испарения воды начинается и заканчивается в трубе, поэтому все соли, которые содержатся в ней, отлагаются на её поверхности. Это приводит к повышенным требованиям к качеству воды и особого внимания к регулярно проводимым процедурам по очистке трубы котла от всякого рода отложений. Прогорание трубы в самом начале пароперегревательной секции в таких котлах обычное явление, если владелец его не уделяет этому вопросу должного внимания.
Все эти недостатки легко решаются в котле Ламонта, который можно получить из прямоточного котла, если в зоне, где происходит в нём фазовый переход сделать разрыв трубы и врезать туда барабан, который вынести за пределы топки. Испарительную пароводяную часть надо закольцевать через этот барабан и пустить воду по кругу в этой петле. Туда же в эту петлю рециркуляции добавлять питательную воду после экономайзера по мере необходимости. Барабан теперь становится сепаратором и накопителем энергии, поскольку объём воды в нём существенный. В этой петле испарителя рециркуляция устанавливается благодаря специальному рециркуляционному насосу, который врезан в неё, поэтому такой котёл тоже является котлом с принудительной рециркуляцией. Величина рециркуляции поддерживается в пределах 5-7 кратной величины относительно производительности котла, поэтому в этой петле всегда находится пароводяная смесь с содержанием пара 15-20% по весу.
Здесь показан котёл Ла Монта, в котором барабан-сепаратор выполнен в виде катушки из трубы значительно большего, чем основная труба диаметра. Это сделано для уменьшения габаритов и облегчения. Такая труба не разсматривается надзорными органами как сосуд под давлением. Котёл этот «сочинён» одним из участников американской дискуссии о паровых машинах, именовавшим себя Vandallas. По-видимому никогда не был изготовлен.
Таким образом, в той трубе, где происходит испарение, всегда циркулирует больше воды, которая своим потоком постоянно смывает образующиеся пузырьки пара со стенки трубки и отложения солей в самом зародыше, вынося и то и другое в барабан-сепаратор. Это интенсивное смывание пузырьков, увеличивает коэффициент теплопередачи в испарительной секции. Туда же в сепаратор будет попадать, и накапливаться там масло, попавшее в питательную воду. Из барабана можно легко удалять всю эту грязь с периодическими продувками. Петля испарительной секции всегда находится в зоне максимальных температур, принимая основной поток тепла, и поскольку там всегда находится больше воды чем пара, то эта самая теплонапряженная часть котла оказывается защищенной от прогорания на любых режимах работы котла. Такое устройство испарительного контура создаёт повышенный коэффициент теплопередачи в этой зоне, и, по словам американского создателя нескольких таких котлов для паровых лодок и автомобилей Джорджа Натза, общая площадь теплопередающих поверхностей котла Ламонта почти вдвое ниже необходимой поверхности классического прямоточного котла такой же мощности. Барабан является хорошим аккумулятором тепловой энергии и резервом пара, позволяющим форсированно и очень быстро нагружать машину в необходимых случаях. В пароперегреватель всегда попадает чистый отсепарированный пар и поэтому он оказывается вследствие этого более надёжным.
Регулирование такого котла упрощается на порядок. Подачу воды можно регулировать по уровню в барабане, что не представляет особых технических трудностей, причём скорость срабатывания системы регулирования может быть гораздо медленнее, из-за хорошего резерва, в отличие от скорости срабатывания системы контроля классического прямоточного котла. То же касается и регулирования температуры пара, которая может быть задана просто конструкцией пароперегревателя, устроенного способом описанным выше. Половина поверхности обогревается радиационным теплом, а половина конвективным. Общая площадь такого пароперегревателя задаёт само значение конечной температуры пара конструктивно. Такая система доказала свою практическую надёжность.
Котёл Ла Монта нарисованный Кеном Хелмиком, председателем американского Клуба Паромобилей
Котёл паровой машины это один из главнейших факторов её громоздкости. Сам же ППД при равной мощности с ДВС может иметь существенно меньшие размеры, поскольку СЭД (среднее эффективное давление) в паровом двигателе больше, а обороты могут быть не намного меньше, а то и равны оборотам двигателя внутреннего сгорания и рабочий ход совершается в цилиндре каждый оборот вала, как в двухтактном моторе. Котёл же имеет довольно внушительный вес по сравнению с самой паровой машиной, вспомните, как выглядит паровоз. Для тех, кто не знает, длинная цистерна, из которой торчит дымовая труба у паровоза это и есть котёл. А два цилиндрика снизу по бокам его это цилиндры парового двигателя. Они могут развивать до 5000 лс.
Развитие удельной мощности таких котлов шло по пути увеличения количества дымогарных трубок и уменьшения их диаметра. Практическим пределом увеличения удельной площади такого котла является котёл Стенли. В нём число дымогарных трубок переваливало за 500 шт. и удельная площадь поверхности была порядка 100 квадратных футов (9,2 м2) на 500 фунтов (227 кг) веса котла для автомобиля 20 лс. Или по европейски, 24 кг веса котла на 1 м2 теплопередающей поверхности трубок. Этот предел, пожалуй, можно превзойти не намного, он практически исчерпан. Надо ещё добавить здесь тонкий момент. Коэффициент теплопередачи в таком котле невысокий и раза в три меньше чем в водотрубном котле. Поэтому по удельным показателям паропроизводительности на единицу площади теплопередачи он уступает водотрубному котлу. С вышеупомянутого котла Стенли можно снять только 326 фунтов (148 кг) пара в час при сжигании за тот же час 4 галлонов керосина. С прямоточного котла Добля примерно той же массы и несколько меньшей площади поверхности теплопередачи можно получить уже до 1000 фунтов (454 кг) и более пара в час на режиме работы бустерной турбины выхлопа при снижении КПД котла на 10-15%. В номинальном же режиме 886 фунтов (402 кг) в час.
Поэтому цифры удельной мощности прямоточного котла Добля для автомобиля серии F 75 лс весом 484 фунта (219 кг) при 80 квадратных футов (7,39 м2) площади выглядят лучше. По массовым показателям удельной площади теплопередающей поверхности он даже уступает котлу Стенли и показывает 484/80 = 6.05 против 5 фунтов на квадратный фут котла Стенли. Но производит пара 402 кг в час при сжигании 13 галлонов керо-солярки. Иначе говоря, на один кг массы он производит 1,83 кг пара, а котёл Стенли только 0,66 кг.
Отсюда видно, что основной удельной характеристикой котла надо принять единицу веса котла, на единицу пара производимого этим котлом в час на максимальной мощности.
Отсюда же видно, что первый шаг, для форсирования котла это переход на водотрубный котёл.
Водотрубные котлы разделяются на котлы с естественной и принудительной циркуляцией. В котлах с естественной циркуляцией теплоноситель циркулирует по трубам за счёт силы гравитации путём конвекции. Более лёгкая паровая фракция кипящей воды, всплывая в трубах, увлекает за собой поток воды и в виде пароводяной смеси поступает в барабан сепаратор, где за счет снижения скорости эта пена разделяется на фракции. Пар отбирается из верхней части барабана и направляется в пароперегреватель, а вода снова идёт в петлю циркуляции для последующего нагрева и испарения. Конфигураций таких котлов очень много, самый известный и классический вариант такого котла это котёл Ярроу. Он является одним из первых котлов, который имел все шансы первым вырваться в небо с пилотом на борту, да вот беда, крылья подвели. Аэроплан сэра Хайрама Максима с точки зрения аэродинамики никуда не годился. А вот машины (их было две) и вся паросиловая установка с котлом и всем оборудованием были чудом лёгкости для своего времени. Изобретатель пулемёта был отличный механик, но в аэродинамике не очень разбирался. Впрочем, он несомненно добился бы плохо управляемого парового полёта на полвека раньше полноценных полётов парового аэроплана братьев Беслер, если бы не понял, что в авиации паровик проиграл начавшему давать первые хлопки из цилиндра двигателю внутреннего сгорания, которому не надо было возить котёл и воду. Посчитав деньги он не стал продолжать свой проект после того как его неуклюжий аэропланнъ сломал ограничительный рельс, удерживающий его от взлетания при наземной отработке работы машин и котла. Чудо авиационной техники, представлявшее собой набор лёгких ферм и парусов, опутанных безчисленными проволочными растяжками, разогнавшись, получило внушительную подъёмную силу, сломало ограничительный брус, и, почувствовав свободу, рвануло вверх. И….
По удельной мощности паросиловая установка самолёта Максима имела такие показатели. Суммарная мощность двух двухцилиндровых компаунд машин двойного действия равнялась 300 лс. И вес их составлял 600 фунтов (272 кг). Вес котла и прочего оборудования около 1200 фунтов (545 кг). Итого вес всей паросиловой установки был 6 фунтов на одну лошадиную силу. Или 2.72 кг/лс. О конденсаторе сэр Максим только подумывал.
Паросиловая установка А.Ф. Можайского была вдвое тяжелее - 5,5 кг/лс, но она содержала конденсатор и была построена на 10 лет раньше. Для того времени, когда она была создана она была самой лёгкой в мире. Он опередил сэра Хайрама на десять лет. Котёл Александр Федорович заказывал у известного изготовителя лёгких котлов для яхт американца Хересгофа, а машины в Англии у Арбекер-сын и Хемкенс (Ahrbecker Son and Hamkens), потому что договор с Н. Хересгофом на постройку паровых машин у него не состоялся. Водотрубный котёл был с принудительной рециркуляцией и барабаном сепаратором, предшественник Ла Монта. Вес котла был 64,4 кг и выдавал он давление 190 фунтов на кв. дюйм (ок. 13 ат). Топился котёл, как и полагается, керосином. Вес конденсатора с сепаратором был 26 кг. Сами машины весили 20 лс - 48 кг, 300об/мин. 10 лс – 29 кг, 450 об/мин. Обе были компаундами классического образца со скользящим золотником. В период с 1882 по 1885 г проводились испытательные пробежки самолёта Можайского и по слухам, однажды подпрыгнув, не имеющий поперечного управления аэропланъ завалился на крыло и сломался. Мощности машины в 30 лс даже с учетом использования полного резерва явно было не достаточно для самолёта около тонны веса, о чём Александра Фёдоровича предупреждала государственная комиссия, но Александр Фёдорович хотел взлететь, во что бы то ни стало... Планер самолёта Можайского имел более совершенную конструкцию, чем аппарат Максима, хотя знания в области аэродинамики тогда были развиты ещё меньше, чем во времена сэра Хайрама. Однако отношение веса самолёта к мощности двигателя было слишком велико. Кроме того несмотря на определённое изящество моноплана, аэродинамическое качества самолёта Можайского было мало из-за малого удлинения крыла и его плоских поверхностей. Если бы Александр Фёдорович смог сконструировать планер с взлетным весом хотя бы 500 кг, такой самолёт уже имел бы шансы стать действительно самолётом, и даже без поперечного управления мог бы летать, если бы Можайский догадался для поперечной устойчивости ввести поперечное V крыла… но, этого не произошло. В наше время паросиловая установка в 30 лс, даже сделанная не по максимальным возможностям нашего времени имеет все шансы весить 70 кг. И планер под такую может весить всего 350-370 кг полетного веса и счастливо летать на древесном угле. Хотя и не так далеко, как самолёт с бензиновым двигателем конечно.
Аэроплан братьев Беслер был уже полноценным самолётом. В качестве планера был использован биплан Трэйвэл Эйр. Удельная масса его двигательной установки была по различным данным от 447 до 665 фунтов (200-300 кг) и имела номинал мощности 150 лс. Сам котёл, облегченный максимально котёл от Добля серии F имел всего 102 фунта веса (46 кг!) и давал пар с давлением 1200 psi (84 ат) и температурой 800F (427С). В итоге удельная мощность паросиловой установки братьев Беслер была от 4.44 фунт/лс до 3 ф/лс, или 2 – 1,5 кг/лс. Это уже весьма близко к конкуренту паровой машины, двигателю внутреннего сгорания, который в воздухе имеет от рождения преимущество плавать и купаться в своём собственном рабочем теле, а паровику надо воду возить и тщательно её беречь. Маловат и КПД двигателя на цикле Ренкина, которому и топлива требуется больше. Поэтому паровая машина в воздухе хоть в наше время и реальна, но с ДВС ей в воздушной среде конкурировать трудно. Всё это, конечно снижает радиус действия самолётов с паровым двигателем. Есть, однако, несколько специфических приложений, где паросиловая установка на аэроплане выглядела бы весьма привлекательно.
Второй шаг форсирования котла - переход на котёл Ламонта. Эта система позволяет ещё более повысить удельную мощность котла. Котёл этой системы, построенный Джорджем Натзом для парового катера, имея вес 335 фунтов (152 кг), производит пара до 750 ф/час (340 кг/ч) и соответственно имеет удельную массовую паропроизводительность 2,2 фунта пара на фунт железа. И это несмотря на то, что имеет довольно тяжёлый барабан.
Третье направление. Повышение давления в газовом тракте котла, по системе Велокс (Velox). Это позволяет в меньшем объёме получать гораздо большую плотность горения, чем в обычных камерах сгорания при атмосферном давлении, и одновременно увеличить коэффициент теплоотдачи конвекцией по газовому тракту. Одним из представителей котла такого типа является котёл Натана Прайса, построенный для самолёта. Он имел по непроверенным данным 24” диаметр, 77” длины, вес мне неизвестен. Котёл был устроен по принципу Ламонта и был предназначен приводить в движение турбину в 2300 лс. Давление в его газовом тракте было 2,5 бара (35 psi). Котёл давал пар с давлением 3200 psi (224 ат). С самолётом дело не пошло, и котёл был отдан американским нэйви. В Америке котлы такого типа впоследствии строились для эсминцев.
Еще одним из способов повышения удельной мощности водотрубного котла является применение оребрённых труб в зоне экономайзера, где оплавление рёбер имеет небольшую вероятность. Существует информация об увеличении теплопередачи от потока газа к трубам при вибрационном потоке. Конкретных данных о таком увеличении у меня нет.
Итак, дорогой читатель. Из вышеизложенного видно, что для повышения удельной мощности и экономичности парового двигателя есть ещё перспективы. Если в 30-е годы, когда король Пар уступил в маломерных приложениях двигателю внутреннего сгорания, были достигнуты результаты, позволившие паровой машине уверенно летать, то сегодня в некоторых областях, паровая машина имеет шанс взять реванш. Первое пространство, которое может отвоевать у ДВС паровой мотор это, конечно вода. Используя конденсатор охлаждаемый водой, мы можем заметно поднять эффективность цикла за счёт вакуума, можно применить вакуумную ступень, которой может быть турбина. Ну а там и до автодорожного применения недалеко. Конечно, охлаждать конденсатор при движении по земле придётся воздухом, поэтому вакуума в нём достичь не так просто, но зимой, да на частичных режимах может быть окажется и не таким уж невероятным делом.
Паровая поршневая машина
Пар, полученный в котле и несущий в себе большой запас энергии, был бы попросту грозно, но безсмысленно шипящим духом страшной силы, без «укрощения» этой силы в паровом двигателе или машине. Как мы уже говорили выше, основу паровой машины в пределах мощностей, которые мы разсматриваем, составляют цилиндр и поршень. Эта сладкая парочка уже два века приводит в движение и самобеглые коляски, и многие другие полезные механизмы. Принцип этот универсален, и из области паровых машин, в своё время, перекочевал в область своего главного конкурента - двигателя внутреннего сгорания. Применяется он и в других тепловых двигателях, работающих с различными тепловыми циклами. Турбины, которые так же способны укротить грозное шипение пара, превышают по эффективности паровую машину только при больших мощностях, начиная от мощностей порядка 500 кВт, а при меньших сильно проигрывают доброму старому поршневому паровому двигателю (ППД).
Для многих современных любителей паровой техники, возникает сильный соблазн использовать для паровой машины всякого рода роторные устройства, которых сейчас появилось предостаточно. Сразу должен сказать, что, несмотря на свою кажущуюся привлекательность, роторные двигатели обладают нерешённой проблемой уплотнений, имеют очень большое отношение поверхности к объёму, поэтому они непригодны для использования в качестве паровых машин. Кроме, может быть, двигателя Ванкеля, система уплотнений которого разработана относительно хорошо. Видится возможным использовать расширитель по схеме Ванкеля вместо выхлопной турбины для работы на выхлопном паре основного цилиндра поршневого парового двигателя, где параметры пара и перепад давлений и температур невысоки, а объёмы значительны. Эта тема заслуживает хорошего изследования. Такой расширитель второй ступени используется, как правило, для привода вентиляторов для камеры сгорания и охлаждения конденсатора. Во время остановки основной машины можно питать его непосредственно от котла. Уплотнения для паровой машины имеют весьма кардинальное значение, и даже для конфигурации расширителя в виде классической пары поршень-цилиндр, где казалось бы всё вылизано до предела, утечки пара составляют порой весьма значительный процент потерь. В данной работе в качестве основной силовой машины мы будем разсматривать только традиционный поршневой двигатель с традиционным кривошипно-шатунным механизмом. Эта схема двигателя доказала свою надёжность на протяжении трёх веков и достаточно хорошо вписывается в современные концепции паровой машины и у нас нет сотен миллионов, которые потребуются для создания уплотнений для какой-нибудь новомодной роторной игрушки.
Основу конструкции паровой машины как мы её знаем, заложили Дени Папен, Ньюкомен, Тревитик, Уатт. Машина двойного действия на высоком давлении, построенная Тревитиком, принципиально не претерпев никаких изменений, просуществовала более двух веков. Она содержала в себе все основные черты и узлы, которые присущи любой современной паровой машине - цилиндр с поршнем, шатун, коленчатый вал, систему парораспределения. Джеймс Уатт продвинул далее конструкцию парового двигателя и придал ей тот классический вид, который мы все знаем из учебников, где изображена паровая машина.
Конечно в конце эпохи пара, когда инженеры разобрались до тонкостей как работает классический паровой двигатель, и увидели недостатки, которые таит в себе эта конструкция, они создали много различных конфигураций машин, стараясь создать наиболее экономичный и лёгкий двигатель. Появилось большое разнообразие конструкций, так что понадобилось даже разрабатывать их классификацию. Паровые машины могут быть двойного и одинарного действия, однократного или многократного расширения пара (компаунд), прямоточные и противоточные, с золотниковым и клапанным парораспределением. В классификацию вносили даже такие параметры как расположение цилиндров - горизонтальное, вертикальное или наклонное, работу с конденсацией и без. Многие из этих признаков не являются принципиальными.
Рассмотрим работу классической горизонтальной машины двойного действия с золотниковым парораспределением с плоским золотником, каковой была машина Уатта в её последних модификациях. Конструкция этой машины хорошо известна каждому, кто когда-либо интересовался паровыми машинами. Основу её составляет цилиндр, разделённый поршнем на две части, в каждую из которых через каналы, поочередно соединяемые золотником то с камерой паровой коробки, то с выхлопным коллектором снизу этой камеры, подаётся или выпускается пар. Поскольку сила пара действует на поршень поочерёдно с обеих его сторон, такая машина называется машиной двойного действия. Свежий пар из котла подаётся в паровую коробку. Шток поршня через уплотнение выходит сквозь одну из крышек цилиндра и соединяется с ползуном-крейцкопфом, который имеет скользящие поверхности, для восприятия боковых нагрузок на него со стороны шатуна, который так же присоединен к ползуну через подшипниковое соединение.
Золотник представляет собой коробку с широкими бортиками, которые могут перекрывать каналы, расположенные сбоку цилиндра. Коробка эта опирается плоскостью бортиков на соответствующую плоскость паровой коробки, в которой проделаны окна для пара, и ходит взад вперёд параллельно оси цилиндра со сдвигом фазы относительно хода поршня таким образом, что когда поршень подходит к ВМТ золотник открывает канал, соединяющий цилиндр с паровой коробкой. Свежий пар входит в цилиндр и, начиная давить на поршень, двигает его к НМТ и совершает работу. С другой стороны поршня камера цилиндра соединена этим же золотником с выхлопным коллектором. Когда поршень приближается к НМТ, золотник перекрывает вход свежего пара, а после достижения НМТ соединяет этот канал с выхлопом и остаточное давление в этой части цилиндра быстро падает до давления выхлопа.
С другой стороны поршня происходит всё наоборот и открывшийся доступ свежего пара с рабочим давлением поднимает давление во второй камере и заставляет поршень двигаться в противоположном направлении, выталкивая пар из первой камеры. Таким образом, достигается непрерывное возвратно-поступательное движение поршня, который посредством штока-крейцкопфа-шатуна связан с коленчатым валом и приводит последний во вращательное движение выходного вала. Привод золотника связан с тем же валом через похожий шток-шатун механизм и соединён с эксцентриком на главном валу. Эксцентрик повёрнут относительно эксцентриситета главного колена примерно на 90 градусов, что даёт нужный сдвиг фаз движения поршня и золотника.
С основным принципом работы такой паровой машины знакомы практически все, кто интересовался историей техники и паровыми машинами. Но надо понимать, что процесс работы машины, который на примитивном уровне описан выше, в реальности выглядит гораздо сложнее. Давайте на качественном уровне разсмотрим как происходит процесс впуска, расширения и выпуска пара. Какие процессы и силы совершают работу, а какие наоборот уменьшают её.
Плоский коробчатый золотник прижимается к своей плоскости скольжения давлением пара, поэтому такой золотник самоуплотняется, и паразитные протечки пара в нём невелики. Эти скользящие плоскости должны быть обработаны до образования плоских гладких поверхностей достаточно высокого класса чистоты. Однако и в самом процессе работы происходит дополнительная притирка этих поверхностей. Как видно из принципа работы такого золотника, он нуждается в хорошей смазке, чтобы уменьшить износ и облегчить работу механизма приводящего его в действие. Сила, прижимающая золотник достаточно велика, особенно при больших давлениях пара. Коробчатый золотник, при больших давления пара, отнимает значительную часть работы машины (до 7-8%). При давлениях более 20 бар плоские золотники практически не применяют. Для давлений порядка десятка бар и не слишком сильного перегрева, плоский золотник это неплохой выбор для небольшой машины. Простота изготовления при малых паразитных пропусках пара подкупает.
Открытие окна впуска пара, особенно в самом начале происходит в плоском золотнике довольно медленно, потому что движение золотника происходит по синусоидальному закону приводом от эксцентрика. Поэтому пар начинает входить в цилиндр через очень узкую щель. Это приводит к значительному дросселированию в начальной фазе впуска и безполезной потере энергии (уменьшению среднего давления в цилиндре). У классических машин дело ещё ухудшает шершавая поверхность длинного канала, полученного при отливке заготовки цилиндра. Несколько помогает то, что вблизи ВМТ скорость поршня мала, это уменьшает скорость течения пара в этот момент. Для ещё большего улучшения ситуации применяют опережение впуска, что означает начало открытия окна золотником ещё до того, как поршень достигнет ВМТ. Кроме того можно уменьшив отсечку используя перекрыши золотника достаточной величины добиться начала открытия канала при уже достаточной скорости штока золотника. Для того, чтобы понять это, надо тщательно разсмотреть работу коробчатого золотника с перекрышами и управляемой отсечкой при помощи какого-нибудь кулисного механизма. Кулисы изобретали Стефенсон, Вальсхарт, Джой, ….. сейчас существует огромное количество конструкций кулисных механизмов.
Кроме того, можно видеть, что в классической схеме паровой машине впуск и выпуск пара происходит через одни и те же каналы. Это существенный источник потерь, особенно для машин, работающих насыщенным паром. Разсмотрим подробнее как применение одного и того же канала для впуска и выпуска пара влияет на экономичность машины.
В процессе совершения рабочего хода производя работу, пар значительно охлаждается в процессе расширения, поэтому выходя через канал, он забирает у его стенок тепло и выносит в выхлоп. Особенно эффект охлаждения усугубляется, если выхлопной пар влажный, а это в машинах со слабым перегревом, какими являются классические машины, как правило именно так. Влажный пар имеет гораздо больший (в 300 раз) коэффициент теплоотдачи, чем перегретый, поэтому он сильно охлаждает поверхности канала. Порция свежего пара, входя в цилиндр через тот же, только что охлаждённый канал, который теперь имеет температуру ниже, чем температура свежего пара, проходя через него, тоже охлаждается. Это приводит к тому, что если в машине применяется насыщенный пар, часть его сразу начинает конденсироваться на стенках этого канала и не участвует в процессе отдания энергии поршню. Но даже если пар достаточно перегрет, его энергосодержание всё равно уменьшается и работа, которую он может отдать поршню, тоже.
Старинные паровые машины работали на насыщенном паре и, поэтому борьба с конденсацией в цилиндре сразу стала для них актуальной. Борьба за сокращение пара, потребляемого машиной, началась сразу, как только их стали применять для выполнения работы. Помните конденсатор Уатта применённый для машины Ньюкомена? У машины с отдельным конденсатором КПД стал 2%. Вдвое больше, чем у машины Ньюкомена. Это весьма серьёзное улучшение! Дальнейшая борьба за экономичность велась по пути повышения давления пара и введения отсечки. Но введение отсечки сразу вызвало процесс конденсации в цилиндре, поскольку при расширении температура пара падает. Это положило предел на степень расширения в цилиндре машин, работающих на насыщенном паре. Поэтому придумали делать машины двойного и тройного расширения. Поскольку в пределах одного цилиндра пар расширялся мало, то и падение его температуры было небольшим, поэтому конденсация в цилиндре стала меньше при возможности достичь при этом значительной степени расширения во всей машине. Однако такие машины обладали большой сложностью, как в изготовлении, так и в регулировании мощности. Производство их так же более дорого, поскольку требует большего числа разных деталей. Выигрыш же был сравнительно небольшой, хотя в рамках борьбы за экономию пара всё-таки существенный.
Профессор В.Б. Халл, проводя в конце прошлого века опыты на небольшой паровой машинке классического типа, показал, что простое разделение впуска пара и выхлопа в той же самой машине даёт экономию до четверти расхода пара на единицу развиваемой мощности. Такие машины строились Корлисом в позапрошлом веке в Америке. Эта экономия особенно заметна для машин, работающих насыщенным паром, потому что охлаждение входящего пара ниже температуры насыщения сразу вызывает его конденсацию ещё во впускном канале и это является существенным источником потери экономичности. Для машин на перегретом паре этот эффект выражен слабее, так как перегретый пар имеет гораздо меньшей коэффициент теплоотдачи к поверхности, чем насыщенный и особенно влажный пар. Это свойство перегретого пара даёт хороший шанс для создания экономичной противоточной машины при раздельных выпуске и впуске.
Некоторым шагом вперёд в своё время явилось применение поршневого золотника. Он представляет собой сдвоенный поршень, имеющий вид гантели, который ходит в соответствующей гильзе, которая выполняет теперь роль паровой коробки. В гильзе ближе к концам проделаны окна для прохода пара и кольцевые камеры за этими окнами соединены с цилиндром. Его работа сходна с работой плоского золотника. Паропроводящие каналы так же перекрываются скользящей по ним поверхностью, только теперь перепускные окна перекрываются не плоской поверхностью, а поршнем золотника. Этот поршень, как правило, у солидных машин снабжен уплотнительными кольцами, подобными кольцам главного поршня машины. Такой золотник обладает тем свойством, что он не прижимается к поверхности гильзы силой давления пара, а уплотнение в нём создаёт только пружинистость колец. Поршневой золотник является уравновешенным. С одной стороны это хорошо, потому что на его привод тратится гораздо меньше энергии. С другой – требуется очень точное изготовление для обезпечения плотности, которая создаётся только за счёт колец, если золотник снабжён ими, и всё равно плотность будет несколько хуже, чем у плоского золотника. В поршневом золотнике всегда есть некоторый перепуск пара со стороны высокого давления в выхлопную трубу. Другое преимущество такого золотника - это более короткие и прямые каналы для прохода пара, большая площадь сечения прохода пара и некоторое уменьшение мёртвого объёма.
Как мы уже видели, что теоретическая тепловая экономичность цикла Ренкина, как и любого теплового цикла тем выше, чем выше начальные параметры рабочего тела. Это потенциал самого цикла, перепрыгнуть который невозможно. Задавая максимально возможный потенциал и стараясь уменьшить все потери, возникающие при его реализации на практике, мы можем достигнуть наиболее хороших результатов. Иными словами, чем выше теоретический, к.п.д., тем может быть выше и практический к.п.д. паровой машины на цикле Ренкина, да и любой тепловой машины. Повышать температуру и давление пара до безконечности мы, однако, не можем. Мы имеем ограничения со стороны используемых материалов, которые не могут работать при слишком высоких температурах. В паровой машине, основным ограничителем верхней температуры является масло, которым смазывается золотник, если он применяется, и пара цилиндр-поршень. При температурах выше 290-300С самое стойкое масло начинает разлагаться, происходит его пиролиз с образованием углерода и тяжелых асфальтов на горячих поверхностях. Поскольку классический золотник нуждается в хорошей смазке, то его применение ограничивает температуру цикла примерно этим пределом. В паровозах, работавших с высокими температурами перегрева пара для смазки золотника использовалась иногда масло-водная эмульсия, вода этой эмульсии вскипала и охлаждала трущиеся поверхности и само масло, не давая ему коксоваться. Тарельчатые клапана в смазке не нуждаются, а штоки их толкателей располагаются в зоне относительно низких температур и поэтому легко допускают смазку маслом.
Есть, однако, и другие причины, по которым мы не можем повышать начальные параметры пара слишком сильно. Причина в том, что пока не отработаны методы, грамотного и экономичного использования высокопотенциального рабочего тела в паровых машинах. Взять температуру. При малых размерах машины, которые мы разсматриваем, отношение площади к объёму довольно велико по сравнению с большими машинами прошлого, что вызывает большие потоки тепла теряемого в машине как переносом от нагретых частей через теплопроводность к выхлопу, так и радиацией. То же касается и давлений. Практика жизни показала, что на современном этапе развития при использовании высокопотенциального пара компаунды оказались не очень конкурентоспособны с прямоточной паровой машиной. По довольно существенному набору причин от них отказались. Но использовать в одной ступени машины одинарного расширения слишком высокое давление оказалось не так просто. С одной стороны с повышением давления увеличиваются потери от утечек, с другой налагаются слишком высокие требования к скорости срабатывания впускных клапанов, которые к тому же работают в таких тяжелых условиях. Скорость срабатывания впускного клапана в паровой машине более чем в десяток раз выше, чем в ДВС, поэтому реальные обороты паровой машины не могут быть такими же высокими, да это и не нужно. Реальность всегда налагает ограничения на наши вожделения. Поэтому слишком гнаться за журавлём в небесах не стоит, хотя поглядывать в его сторону весьма полезно, чтобы оценить открывающиеся горизонты.
В конце эпохи пара, в тридцатые годы, в Англии были подвергнуты тестовым испытаниям наиболее совершенные паросиловые установки наиболее совершенных локомотивов. Их тепловая экономичность была определена как 7-8% от энергии сгорания топлива. За вычетом потерь котла, основную долю которых составляли неполное сгорание топлива и вынос тепла в трубу с излишне горячими дымовыми газами (кпд паровозных котлов того времени не превышал 70%), и механических потерь в кинематике машины, тепловая экономичность самой машины составила 14-15%. Это были лучшие представители чисто «классического» образца. В это же время испытывались паровые машины и более совершенных конфигураций, тоже с выхлопом в атмосферу. Эти более совершенные машины на испытаниях показывали при тех же параметрах пара тепловой к.п.д. 20% и более. Давление пара во всех этих испытаниях было примерно 17,5 ат и температура 350С. Отсюда мы видим, сколько можно выжать только за счёт грамотной конструкции самой машины. Этот резерв конечно в наше время уже меньше, но он ещё есть.
Кроме вышеописанного вредного влияния выпуска пара через те же окна, через которые происходит и впуск надо еще отметить, что каналы выполненные литьём в цилиндре с коробчатым золотником в виде так называемой гусиной шеи имеют достаточно большой объём. Это приводит к ещё одному виду потерь – потери от мёртвого или вредного объёма. Большая площадь этих шершавых каналов усугубляет потери тепла с выхлопом, увеличивая эффект описанный выше.
Прямоточная паровая машина
Как мы уже видели, впуск и выпуск пара через один и тот же канал приводит к большим потерям тепла рабочего тела и снижению экономичности машины или её мощности при тех же количествах подаваемого пара. Поэтому уже в конце 19 в. в некоторых наиболее совершенных стационарных машинах стали применять раздельные каналы впуска и выпуска пара, с независимыми клапанами. (Корлисс) Есть ещё один недостаток у классического золотникового парораспределения. Это жёсткая зависимость между величиной отсечки на впуске и открытием канала на выпуск. То есть если мы меняем отсечку, то тем самым меняется и жёстко связанная с ней фаза выпуска, поскольку и впуск и выпуск управляется одним и тем же золотником. При раздельных же впуске и выпуске управлять парораспределительными органами можно уже независимо. Это даёт уже дополнительные возможности для экономии пара, как мы увидим это дальше.
В машине с раздельным выхлопом всё же возникает перенос тепла от горячей зоны впуска, к холодной зоне выпуска, хотя он уже значительно меньше, особенно если применяется перегретый пар и выхлопной пар остаётся слегка перегретым после его расширения в цилиндре. В головке цилиндра возникает неравномерное поле температур, и соответственно внутренних напряжений и перекосов, что тоже не очень хорошо. Поэтому возникает желание ещё более уменьшить это явление. Так мы подошли к понятию о прямоточной машине. В этой машине выпуск пара происходит в конце рабочего хода поршня через окна подобные окнам двухтактного ДВС. Зоны впуска и выпуска пара в такой машине разнесены максимально, что с точки зрения тепловых потерь даёт максимальную возможность для повышения тепловой экономичности, так как горячая и холодная зоны разнесены на максимально возможное расстояние. Такие машины раньше называли машинами Штумпфа, хотя впервые прямоточную машину построил в Англии американский инженер Якоб Перкинс в 1827 г. Немец доктор Й. Штумпф подробно разработал в начале 20 века и заложил основы теории прямоточных машин унифлоу.
В конструкции прямоточной машины отпадает нужда в выпускных клапанах, что сильно упрощает её конструкцию. В отличие от классической машины, где поршень при обратном ходе может вытолкнуть оставшийся пар из цилиндра, в прямоточной машине после закрытия окон в цилиндре останется порция пара с выхлопным давлением р2, температурой t2 и объёмом равным объёму рабочего цилиндра до верхней границы окон плюс мёртвый или вредный объём цилиндра, в который входит пространство, остающееся в цилиндре при положении поршня в ВМТ. В него входит зазор от головки поршня до головки цилиндра и объём впускного канала от поверхности клапана.
Компрессия и её влияние на потери от вредного объёма
При обратном ходе поршня происходит сжатие оставшегося в цилиндре пара. Это сжатие или компрессия, характеризуется степенью компрессии e которая равна отношению мёртвого объёма к сумме рабочего объёма цилиндра до начала выпускных окон и оного вредного объёма. Сжатие происходит от параметров пара в конце процесса расширения и выпуска, - р2, t2. Процесс сжатия сопровождается повышением температуры и давления и в реальности не является адиабатным, но близким к нему. Температура пара в конце сжатия обычно превышает температуру входного пара, если его давление в конце этого такта приближается к начальному. Если давление компрессии равно давлению пара на входе в цилиндр, то экономичность машины увеличивается за счёт уменьшения вредного действия мёртвого объёма. Это явление подробно изследовал и описал энтузиаст и конструктор прямоточных паровых машин проф. Йоханнес Штумпф (J. Stumpf) в начале прошлого века. В самом начале своих работ Штумпф установил главный принцип работы и преимущества прямоточной машины, держать горячий конец цилиндра горячим, а холодный холодным. Из его книги о прямоточных паровых машинах можно почерпнуть много полезной информации о машинах этого типа.
Разсмотрим подробнее, чем различаются процессы впуска пара в цилиндр в машинах с компрессией и без неё. В классической паровой машине, пар выходил из цилиндра практически полностью и только в конце такта выпуска поршень сжимал остаток пара, до очень небольших давлений. Золотник для входа свежего пара открывался с некоторым опережением, для того чтобы пар успел наполнить пространство остающееся в зазоре между поршнем и головкой цилиндра, и впускного канала, и поднять в нём давление до давления входящего пара, чтобы не терять на это рабочей части хода поршня. Пространство это в тех машинах было довольно значительное. Длинный и довольно объёмный, из-за совмещенной с выхлопом функции, канал, продольное сечение которого имело вид гусиной шеи. Да и зазор между поршнем в ВМТ и крышкой цилиндра тоже оставляли тогда приличный для уменьшения вероятности гидроудара. Свежий пар, имеющий рабочее давление, входя в это пустое пространство, расширяется в эту пустоту и постепенно наполняет её, повышая давление в этом объёме. На это расширение уходит энергия запасённая в нём. Можно сказать что эта часть пара входит в машину попусту, не совершая никакой полезной работы, а только для того чтобы наполнить вредный объём до рабочего давления. Это прямая потеря. Учитывая значительную величину давления рабочего пара, величина этой потери при большом вредном объёме может быть весьма существенной.
Но если в момент открытия входного клапана во вредном пространстве у нас уже создано давление близкое к рабочему, то свежая порция пара сразу же будет давить на поршень. В этом случае уже не надо никакого опережения впуска, разве только для того чтобы клапан успел открыться побольше до того момента, когда поршень пойдёт вниз и поток пара начнёт течь. И с этой точки зрения он желателен, хотя слишком большое опережение в прямоточной машине вредно влияет на плавность её работы. Поэтому опережение впуска в прямоточных машинах если и делают, то крайне небольшим. Говоря о процессе впуска пара в цилиндр машины необходимо отметить важность достаточной площади проходного сечения канала и самого клапана, а так же их аэродинамики. Впуск пара в цилиндр, как показывают все индикаторные диаграммы паровых машин прошлого, сопровождается довольно значительным падением давления (дросселированием) пара при его проходе через клапан и впускной канал по сравнению с давлением в паровой коробке. Это падение давления в хорошей паровой машине необходимо максимально уменьшить. Для этого нужно обезпечить достаточное пропускное сечение клапана, хорошую аэродинамику впускного канала и как можно более быстрое открытие и закрытие клапана, что представляет собой определенную проблему, приводя к слишком большим нагрузкам на парораспределительный механизм. Слишком резкое закрытие клапана так же приводит к преждевременному износу седла.
На компрессию пара мы затратили энергию маховика, уменьшив полезную мощность машины, которая в случае полного выталкивания из цилиндра всего пара была бы больше. Однако эта работа, затраченная на сжатие, за мизерной потерей возвратится назад во время очередного рабочего хода. (Эффект паровой пружины.) Однако за счёт компрессии мы уменьшаем потерю от влияния мёртвого объёма практически до нуля, если давление сжатия точно достигает величины давления свежего пара, входящего в машину. Удельная мощность машины без компрессии при таком же рабочем объёме и при тех же параметрах пара больше, а экономичность меньше. Эта потеря удельной мощности есть плата за увеличение экономичности расширителя (паровой машины).
Как мы увидели, правильная компрессия нейтрализует вредное влияние мёртвого пространства и тем увеличивает к.п.д. машины. Чтобы компрессия была правильной, ей надо научиться управлять. От чего же зависит величина компрессии? При такте сжатия степень уменьшения объёма пара в простой прямоточной машине, как правило, постоянна, поскольку не меняется отношение рабочего и мёртвого объёмов, если не используется способ регулирования компрессии изменяемым мёртвым объёмом. Процесс сжатия, в общем случае, является политропным процессом с показателем политропы n . Тогда давление и температура в конце процесса сжатия определится из параметров пара в начале сжатия и показателя политропы. Давление в начале сжатия равно давлению в конце выпуска пара из цилиндра и предопределяется главным образом давлением в выхлопном пространстве, начальными параметрами пара и характером процесса расширения. Если машина работает с конденсатором, то давление остаточного пара будет несколько больше давления в нём и в общем случае меняется мало, если площадь выхлопных окон достаточна, и сопротивление выхлопного коллектора невелико. Поэтому в конденсационных машинах пара в цилиндре остаётся мало и вредный объём может быть уменьшен до конструкционного минимума. Представляется, что компрессия в паровом цилиндре заданных параметров не меняется в широком диапазоне режимов и давление в конце такта сжатия практически постоянно. Давление же на впуске может меняться при применении дроссельного регулирующего клапана для регулирования мощности машины. При этом легко может возникнуть ситуация когда давление в конце такта сжатия превысит давление в паровой коробке машины.
Некоторые методы управления компрессией
Как же можно изменять степень сжатия на работающей машине, чтобы избежать, по возможности, сжатия пара в цилиндре до величины, превышающей рабочее давление свежего пара? Самый простой способ, который сразу напрашивается, это изменение величины вредного объёма. Или добавлением дополнительной камеры к уже существующему конструкционно объёму посредством открытия специального клапана как было сделано в некоторых машинах Й. Штумпфа, для пуска машины при атмосферном выхлопе. Или плавным изменением такого дополнительного объёма при помощи регулирующего поршня, выполнив такой дополнительный объём в виде пары цилиндр-поршень. Были предложены, так же способы изменения этого объёма при помощи мембраны. Однако, как известно, увеличение вредного пространства плохо сказывается на экономичности работы машины, поэтому тут необходимо идти на компромисс, чтобы потери связанные с увеличением вредного объёма не превысили выигрыша при избавлении от чрезмерного сжатия.
Тут надо пояснить. Вредный объём в данном случае при высокой компрессии сам по себе не создаёт большой потери, поскольку сжатие компенсирует его вредное влияние. Но при большом вредном объёме в цилиндре уменьшается возможная степень расширения, которая даёт экономичность.
Американец Джей Картер, который разрабатывал в семидесятые годы прошлого века паровой автомобиль с прямоточной машиной, применял для автоматического регулирования компрессии дополнительный объём, соединенный с объёмом цилиндра через небольшое, точно подобранное отверстие. На малых оборотах, при трогании с места компрессия уменьшалась значительно, а на больших, давление сжатия не успевало падать, поскольку дополнительная камера не успевала наполниться через малое отверстие, поэтому компрессия возрастала. Работа машины Джея Картера напоминала работу ДВС с точки зрения моментной характеристики и потому нуждалась в трансмиссии и стартере. Джим Кранк очень неодобрительно отзывался о таких системах, поскольку вкусил прелесть вождения классических паровых автомобилей, плавных, безшумных, с могучим стартом. Такая особенность работы парового двигателя Картера была обусловлена применением ударных клапанов впуска.
Самый эффективный способ регулирования компрессии это иметь дополнительный выхлопной регулируемый клапан, который будет продолжать стравливать отработавший пар из цилиндра после закрытия выхлопных окон. Момент, когда он должен закрыться определит автоматика, которая будет регулировать компрессию в нужных пределах. Просится такой клапан разместить в головке поршня, но тогда возникает сложность управления его закрытием. Но в связи с тем что объём пара, который будет выпускаться через этот дополнительный клапан выпуска уже очень невелик, то проблема с охлаждением головки выхлопным паром уменьшится по сравнению с противоточной машиной. В связи с тем, что в современных паровых машинах применяется высокоперегретый пар, который имеет не слишком большой коэффициент теплоотдачи, существует большое число приверженцев противоточной машины с раздельными каналами впуска и выпуска. В такой машине регулировать степень сжатия можно через изменение времени закрытия выпускного клапана, который выпускает часть пара в начальной стадии хода поршня к ВМТ. Укорачивая фазу выпуска, мы получаем увеличение степени сжатия. Спор приверженцев этих двух схем не прекращается, обе имеют свои плюсы и минусы. Однако если стараться достичь идеала, прямоточная машина всё-таки лучше. У неё горячий конец остаётся горячим и не остужается холодным выхлопом, а холодная часть отнесена от горячей максимально, как и завещал профессор Й. Штумпф.
Самый простой способ избежать неприятности с излишней компрессией это вовсе никак не регулировать её, а стравливать сжатый пар, когда он начинает превышать начальное давление прямо в паровую коробку, или через специальный обратный клапан или прямо через рабочий клапан цилиндра, который в этом случае сработает как обратный. Как только давление в цилиндре превысит давление свежего пара, этот избыток будет стравливаться в паровую коробку. При рабочем ходе этот пар в смеси с паром из котла снова поступит в цилиндр. Так делал американец Вильямс, который создал неплохую прямоточную машину, но уж слишком хотел на этом разбогатеть, всё старался держать в секрете и напускал слишком много туману и дезинформации, так что его успехи мало повлияли на развитие паровых поршневых машин в первой половине 20-го века. Этот декомпрессионный клапан виден на рисунке машины SE-101.
Есть ещё одна идея приписываемая Вильямсу. В головке рабочего цилиндра имеется небольшой цилиндр с поршнем. Этот поршень с одной стороны смотрит в основной цилиндр, а с другой в паровую коробку. Таким образом, при сжатии пара в цилиндре, когда давление начнёт превышать рабочее этот поршенёк начнёт отодвигаться и тем увеличивать мёртвый объём и не давать давлению возрастать дальше. Когда давление начнёт падать при совершении рабочего хода, поршенёк вытолкнет этот пар назад в рабочий цилиндр для совершения полезной работы.
Вот вкратце все основные идеи по регулированию компрессии, которые мне известны.
Смазка машины и отделение масла от конденсата
Совершенно не требует доказательств необходимость смазки всех трущихся деталей паровой машины. Для того, чтобы машина работала надёжно долгие годы без износа, так же как и для уменьшения паразитных сил трения необходимо смазывать все трущиеся поверхности, особенно находящиеся под силовой нагрузкой. Во все времена для этой цели служило масло, и оно прекрасно зарекомендовало себя в этом деле. Однако применение масла создаёт дополнительные сложности и проблемы для паросиловой установки. Кроме ограничения цикла по температуре в машинах с масляной смазкой, о чём было сказано выше, в установке с конденсацией пара требуется тщательное отделение масла от выхлопного пара и от конденсата. Степень очистки должна быть достаточно высокой. В противном случае масло начинает отлагаться на горячих поверхностях котла. В трубе самого котла нагорание масла весьма нежелательно, так как ухудшает условия теплоотдачи и может привести к прогоранию трубы. В прямоточном котле оно часто в виде углеобразных кусочков проносится по паровому тракту в машину, угрожая ей созданием преждевременного износа в результате абразивного действия этих кусочков. В автомобилях Добля на выходе из котла стоял шламоуловитель перед дроссельным клапаном. Джим Кранк говорит, что при ремонте одного из этих автомобилей в котором он участвовал, в этом шламоуловителе были обнаружены целые залежи кокса и асфальта, которые можно было удалить, только разрезав корпус уловителя. Проблема с этим была так же на автомобилях Уайт. Так было, потому что в те времена этой проблеме не было уделено особого внимания и никаких конструкционных решений по отделению масла не было предусмотрено. Поэтому были просто рекомендованы меры в виде продувки котла в обе стороны после каждой поездки и периодическому отжиганию отложений угля в котле, путём нагрева пустых катушек при одновременной продувке котла воздухом. В наше время паросиловая установка с конденсацией, работающая с масляной смазкой обязана иметь фильтры и центрифуги, отделяющие масло от пара и воды до высокой степени чистоты. Существует довольно большое число устройств достаточно успешно отделяющих масло от пара или от воды. Циклоны, центрифуги, различного рода фильтры. На этом направлении, достигнут достаточный прогресс по сравнению с паровыми автомобилями начала прошлого века.
Смазка паровой части машины при не слишком высокой температуре пара осуществлялась зачастую подачей масла в главную паровую магистраль перед машиной. Подача масла в паровую магистраль перед машиной была хорошим, простым решением для смазки всех трущихся деталей от золотника до поршня и штока. Это делалось при помощи специального устройства – лубрикатора или механически, масляным насосом. Вытеснительный лубрикатор – простейшее устройство. Переход на повышенные давления и температуры, однако, заставил отойти от этой схемы, хотя для смазки золотников применяли даже водомасляную эмульсию, чтобы охлаждать трущиеся поверхности и само масло.
Прямоточные машины Штумпфа имели клапанный паровпуск, поэтому не имея нужды в смазке клапанов, смазывались подачей масла в середине цилиндра через три точечных отверстия с отдельным плунжерным насосом на каждую точку смазки. Такая схема смазки позволяет поднять температуру рабочего пара, поскольку масло подаётся в относительно холодные части цилиндра и не успевает сгореть.
Давно замечено, что машины, работающие на насыщенном паре, практически не нуждаются в смазке. Только ничтожное её количество (в сотни раз меньшее) по сравнению с обычной практикой необходимо чтобы машина работала без износа. Основную роль смазки в таких случаях берёт на себя конденсат, обильно выделяющийся на поверхности цилиндра в таких машинах. Добавление ничтожного количества масла заметно улучшает работу водной смазки, которая в чистом виде, без этой добавки для металлических поверхностей приводит, таки к их большему по сравнению с масляной смазкой износу. О роли этой микродобавки масла в дальнейшем ещё будет сказано.
Рабочие температуры таких машин, как правило, невысоки и поэтому появляется возможность применять современные материалы типа армированного тефлона и пластмассы PEEK, которые имеют низкий коэффициент трения и могут использовать воду для смазки.
Использование без масляной смазки издавна будоражит умы изобретателей паровых машин. Было предложено и опробовано много способов, и материалов в этом направлении от сухих смазок типа графита и дисульфида молибдена до использования воды в качестве смазочного вещества. Некоторые достигнутые результаты весьма обнадёживают. Серполе например успешно применял графитовые втулки и лабиринтное уплотнение штоков клапанов своих машин. Исключение масла из паровой системы сулит большие выгоды отказа от маслоотделителей, полностью исключает опасность нагорания в котле и даёт возможность повышения рабочей температуры начального пара. Появляется возможность бросить взгляд в сторону компаундов с промперегревом пара, что в масляных машинах было практически невозможно из-за нагорания масла в промежуточном пароперегревателе. Промежуточный перегрев даёт дополнительный шанс на увеличение термодинамического КПД цикла при заданной максимальной температуре пара. Хотя основные проблемы компаундов останутся и в этом случае, увеличение теплового кпд цикла с промперегревом может вдохнуть в них новую жизнь.
Что интересно, и масло и некоторые высокотемпературные пластики, применение которых обещает возможность отказа от применения масла, имеют примерно одинаковый температурный предел. Этот факт наводит на некоторые мысли, которые могут привести к некоторым интересным возможностям.
Использование воды в качестве смазки было опробовано на экспериментальной машине Циклон, которая едва не сделала паровой бумм в Америке несколько лет назад. История Циклона весьма интересна и заслуживает отдельного разсмотрения для возможного прояснения некоторых туманных пятен, которые оставила эта машина перед тем, как с большим скандалом исчезнуть в безвестности…
Конденсатор
Паросиловая установка на транспортном средстве меньшем, чем средней величины паровоз должна по-хорошему иметь конденсатор, если мы хотим ехать долго. Вес конденсатора с лихвой окупится уменьшением запаса воды, который в противном случае пришлось бы возить с собой. В идеале вода в цикле должна полностью сохраняться. Как и все компоненты паросиловой установки, конденсатор должен иметь по возможности минимальный вес и габариты. Это означает, что процесс конденсации и охлаждения конденсатора воздухом должны протекать с наибольшей интенсивностью. Самым эффективным образом процесс конденсации происходит в конденсаторе смешивающего типа. В нём охлаждающая вода и выходящий из машины пар смешиваются в замкнутом сосуде. Для увеличения интенсивности процесса охлаждающую воду распыляют. Поскольку мы имеем воду, выходящую из форсунок с большой скоростью, напрашивается мысль создать в выхлопном патрубке разряжение за счёт подсасывающего действия этой струи. Пусть потом на выходе из такого конденсатора давление увеличится, главное, что некоторый вакуум за машиной будет достигнут, и это позволит пару совершать большую работу расширения и кпд цикла повысится. Горячую воду, полученную в конденсаторе, надо охлаждать, чтобы она не закипела. Для охлаждения может быть использован воздух окружающей среды или вода, если у нас стационарная установка или судовой двигатель. Для уменьшения габаритов теплообменника необходимо применять оребрение труб и увеличенные скорости потока охлаждающего тела.
Можно применить охлаждающие панели изготовленные в виде крыши, выполненной подобно плоским штампованным радиаторам отопления, снаружи гладкая обтекаемая поверхность, а с внутренней стороны к ней по всей плоскости приварены водопроводящие каналы, по которым циркулирует охлаждаемая вода. Или (и) использовать плоскость днища автомобиля. Может быть получится достигнуть и вакуума при хорошей скорости. Думается что алюминиевые сплавы лучший выбор для материала теплообменника конденсатора. У алюминия неплохой коэффициент теплопроводности и малый вес. Несмотря на то, что конденсатор на первый взгляд не представляет особой сложности, для создания действительно эффективного, лёгкого и компактного устройства надо приложить изрядные усилия и должное старание. В среднем необходимая площадь поверхности конденсатора примерно равна и даже больше площади поверхностей котла.
Утилизация потоков и регенерация тепла
После расширения в машине пар имеет ещё заметное количество энергии, которую можно использовать, особенно если его давление превышает атмосферное, что для автомобильного паромотора явление обычное. Самый распространённый метод использования энергии выхлопного пара это направить его в турбину или другую расширительную машину (экспандер) низкого давления. Поскольку давление и соответственно плотность выхлопного пара невелики, то этих объёмов уже может хватить на применение турбины при расходах хотя бы 100-200 кг пара/час (при меньших расходах экономичность турбины будет уж очень малой). Лучшие результаты по экономичности при малых расходах показывают радиальные турбины с входом от периферии, которые применяют в турбонаддуве двигателей внутреннего сгорания. Выхлопная турбина, как правило, используется для привода в движение вентилятора, который охлаждает конденсатор. Получается хорошее соответствие, чем больше пара надо сконденсировать, тем большую мощность будет развивать турбина. Если развиваемой мощности достаточно, то можно часть её использовать для привода вентилятора, подающего воздух в котёл. Альтернативой турбине вполне может послужить роторный расширитель. Есть вероятность, что он будет работать здесь эффективнее турбины. Затем выхлоп турбины или объёмного расширителя необходимо направить в подогреватель питательной воды, это с одной стороны уменьшит нагрузку на конденсатор, а с другой, увеличит тепловую эффективность всей системы. Где-то в этой цепочке необходимо выполнить сепаратор отделяющий масло от пара, если применена масляная смазка. Сепаратор должен удалять практически всё масло из выхлопа, чтобы питательная вода, поступающая в котёл, его практически не содержала!
В процессе работы паромотора, пар отдаёт свою энергию поршню, расширяясь в цилиндре. Но есть ещё и вредный процесс охлаждения пара о стенки цилиндра, эта потеря тепла уменьшает полезную работу, которую может совершить пар и поэтому цилиндр должен быть тщательно теплоизолирован от внешней среды и по возможности оставаться нагретым до температуры, которую имеет работающий пар. Однако выхлопные окна, хоть и отдалены от входного канала, у небольших машин всё же получают значительное количество тепла теплопроводностью вдоль стенки цилиндра, это тепло уносится с отработавшим паром. Поэтому желательно отделить, гильзу цилиндра от нагретой головки теплоизолирующим барьером, поскольку гильза имеет уже меньшую температуру, чем всегда горячая головка цилиндра, так как пар расширяясь в цилиндре, охлаждается. Излишне, наверное, говорить о том, что тщательно изолированы от внешней среды, должны быть и паропроводы свежего пара из котла, как и все горячие трубопроводы и нагреваемые элементы самого котла, чтобы максимальное количество драгоценного тепла оставалось в самом цикле и не разсеивалось напрасно. На относительную величину потери тепла влияет и скорость работы машины. Чем больше обороты машины, тем меньше тепла успевает отдать «на сторону» рабочая порция пара. Это же касается и потерь от утечек пара через рабочие кольца. Чем меньше время одного цикла, тем меньше успеет пара просочиться через кольца поршня. Однако повышение оборотов сверх меры вызывает ряд проблем, связанных с клапанами, балансировкой, долговечностью, и надёжностью паросиловой установки, поэтому надо выбирать оптимальные значения оборотов, опираясь на все эти критерии.
Второй выхлопной поток – газы от котла надо тоже по максимуму охладить. Это делает экономайзер, подогревающий питательную воду, поступающую в котёл и подогреватель воздуха, идущего на сжигание топлива. Температура выхлопных газов хорошего котла не должна превышать 150-200С, а меньшие температуры вызывают проблемы с коррозией частей выхлопного тракта.
Циклон
Некоторое время назад, в Америке примерно с 2002, а позже и в России начала появляться информация о современном паровом двигателе под названием Циклон. В кругах американских любителей пара она произвела настоящий фурор. Работа по созданию этой машины велась в обстановке коммерческой тайны и поэтому обсуждение её на форуме по этому поводу было не очень информативно, хотя кое что всё же почерпнуть можно. Однако уже после 2015 г. эта тема исчезла, после скандальной разборки. В 2016 г, когда я впервые вышел на американский паровой форум, я видел тему о Циклоне под названием что-то типа «Какой Позор!», но я был увлечён пожиранием, хлынувшего на меня со страниц форума потока информации о паровых машинах, и оставил эту тему на «потом». Когда я нашёл страницы форума, посвященные Циклону, и смутно стал осознавать что это такое, возник вопрос о реальности этого проекта. Я кинулся искать ту тему и не нашёл. Она исчезла с сайта.
В общих словах Циклон представляет собой компактную паросиловую установку с радиальной многоцилиндровой паровой машиной. Рабочие прототипы Циклона Марки V и VI имели 6 цилиндров работающих на один вертикальный одноколенный коленчатый вал. Вся система собрана в один компактный блок с котлом и конденсатором в одной сборке, которая весит около 300 фунтов (136 кг) и развивает мощность 100 лс при 3600 об/мин. Параметры пара, которые использует эта машина 3200 psi 1200F (224 ат 650С). Заявленный создателями термодинамический КПД составлял 32% на выходе из машины(!). Сверхкритические параметры пара в прямоточном котле очень удобны. Фазовый переход как таковой отсутствует, на входе вода, на выходе сверхкритическая субстанция с плотностью в четыре раза меньше воды и весьма высоким коэффициентом теплоотдачи. Никаких пузырьков при её образовании не выделяется, поэтому трубка всегда охлаждается хорошо, что снижает опасность прогорания. Дроссельного клапана для регулирования мощности в этом паровом двигателе нет. Его роль выполняют сами клапана, которые имеют два уровня регулирования по высоте поднятия тарелки и по продолжительности действия клапана.
Клапана, работающие в таких условиях это целая огромная проблема, пар таких параметров режет металл как лазерный резак. Вряд ли у Циклонов Марк II, V и VI были металлические клапана. По крайней мере, нижняя их часть, скорее всего, сделана из керамики, скорее всего нитрид кремния. Отсечка должна быть сверхкороткая, 5% и меньше. Достичь меньшей отсечки при оборотах Циклона 3600 об/мин задача, практически нереальная. В разборках «позора» инженеры паровики после вскрытия «обмана» открыто заявили, что такие клапана невозможны. Однако со своей стороны должен отметить, что кроме времени открытия клапана Шоэл говорил и об использовании дросселирования через него. Поэтому там, где нельзя сделать отсечку короче, применён принцип малого подъёма клапана для регулирования мощности машины. Почему слова «позор» и «обман» взяты в кавычки, я объясню позже.
Котёл Циклона представляет собой пачку плоских спиралей положенных одна на другую имеющую сходство с котлом Добля, но поток горячих газов движется от периферии к центру этой «пачки». Тороидальная камера сгорания расположена по периметру её и представляет собой бублик, в котором с большой интенсивностью закручен вихрь пламени. Такая конструкция удобна тем, что тяжелые несгоревшие частицы топлива будут отбрасываться центробежной силой к периферии и крутиться в этом огненном потоке пока не сгорят. В разных модификациях Циклона применялись разные модификации котла с несколькими параллельными потоками воды. При такой конструкции возникает большая сложность с выравниванием расхода воды в каждом отдельном потоке этой параллельной связки каналов. Управлять более чем двумя потоками воды очень сложно. В котле циклонов Марк 2 – Марк 6 применена схема с двумя параллельными потоками. Самое простое решение здесь это применить отдельный питательный насос к каждому потоку, что вероятно и сделано в Циклоне, как намекал Гарри. Второй плюс такой конфигурации котла и расположения камеры сгорания в том, что радиационный нагрев происходит по максимальной площади. В третьих, газы при движении внутрь охлаждаются, и одновременно уменьшается площадь для их прохода, поэтому скорость потока и соответственно величина теплопередачи остаётся примерно на одном уровне при сохранении зазоров между трубками. Температура отходящих газов после прохода катушек котла составляет около 500-550F (260-290С), а после регенеративного теплообменника ещё меньше, около 180С.
По заявлениям Х. Шоэла, котёл потребляет любое жидкое топливо, которое можно качать насосом. Перенастройки топливной системы и форсунок при этом не нужно. Испробованы были десятки видов топлива от масла, полученного из апельсиновых корок до ацетона. Всё сгорает чисто и не даёт копоти. Паровой двигатель циклон имеет истинную многотопливность. Харри проговаривался, что они пробовали сжигать даже мелкую пыль твёрдых топлив, хотя я думаю, что для такого использования камера сгорания и горелки должны быть переконструированы. Из холодного состояния котёл выходит на рабочий режим от 10 до 15 секунд. Площадь поверхности котла для Марков 5-6, по некоторым высказываниям Шоэла составляет предположительно от 50 до 60 кв. футов (4,6-5,5 м2).
Сама паровая машина прямоточной схемы имеет радиальную конструкцию. Несколько цилиндров работают на одноколенный общий коленвал. Марки 5 и 6 имеют шестицилиндровую конфигурацию. Диаметр цилиндров 2 дюйма, ход поршня 2 дюйма (ок. 50х50 мм). Каждый цилиндр окружён двумя спиральными рядами катушки водоподогревателя, и выхлопной пар, проходя эти катушки, греет питательную воду. Это одновременно снижает тепловую нагрузку на конденсатор и увеличивает экономичность системы, поскольку выхлоп пара при таких высоких начальных параметрах может быть весьма горячим. По словам Шоэла температура выхлопного пара на номинальном режиме составляет 400 градусов Фаренгейта (204С). Этот теплообменник, скорее всего, служит одновременно охладителем цилиндра. Каждая катушка подогревателей питательной воды имеет площадь 1 кв. фут (0,092 м2).
Самая главная изюминка циклона помимо его красивой, компактной компоновки в том, что в качестве смазки машины применена вода. Водой смазываются и паровая и механическая части машины. Впрыск смазочной воды для смазки поршневых колец происходит в точке близкой к НМТ от специального насоса смазки. Применение воды в качестве смазки, даёт паровой системе огромный плюс. Масло, попавшее в воду и с ней в котёл, представляет для него опасность. Оно пригорает к стенкам котла и грозит прогоранием трубок. Кусочки угля, вынесенные с паром в машину создают повышенный износ цилиндро-поршневой группы. Масло разлагается при температурах около 300С и тем самым налагает ограничение на температуру и давление цикла, которые являются главным фактором улучшения экономичности теплового двигателя и уменьшения его массы. Для тщательного удаления масла необходима целая система фильтров и отстойников. Иногда применяют центрифуги, на которые приходится отбирать энергию системы. Применение в качестве смазки воды избавляет от такой необходимости, что существенно упрощает систему.
Для того чтобы применять воду в качестве смазки необходимо изготовить все детали такой машины из нержавеющих материалов. У Циклона все детали выполнены из нержавеющей стали различных марок и применена пассивация всех внутренних поверхностей, которые взаимодействуют с водой и паром. Уплотнительные поршневые кольца и втулки подшипников сделаны, по словам создателя циклона, из материала peek. Но не из обычного реек, а сформованного определённым образом, посокольку в чистом виде этот материал имеет свойство сильно расширяться от температуры. Сама гильза цилиндра выполнена из керамики и вставлена в металлический корпус с учётом разницы коэффициентов теплового расширения. При смазке водой хотя бы одна из поверхностей трения должна быть электроизолирующим материалом, потому что в процесс трения здесь каким-то образом вовлекаются ионообменные процессы, поскольку вода не является изолятором как масло. Помните о ничтожной добавке масла резко улучшающей работу паровых машин на насыщенном паре использующих смазку водой? Тончайшая плёнка масла служит электроизолирующим барьером, который в металлических машинах с металлическими кольцами даёт водной смазке работать нормально. Без добавления этой маленькой добавки, которая в сотни раз меньше чем количество смазки для обычных масляных машин, чисто водяная смазка работает неудовлетворительно и наблюдается повышенный износ поверхностей трения. Рееk работает до температур около 480F (250С) Вода, которую используют в Циклоне не просто дистиллированная, но даже деионизирована, то есть имеет высочайшую степень очистки. Поскольку цикл полностью замкнут, и утечек пара практически нет, то дорогая вода работает достаточно долгое время. В систему встроен тончайший фильтр её очистки от посторонних частиц, образующихся в процессе износа.
Для впуска пара в цилиндр использован тарельчатый клапан. Поскольку в системе использовались чудовищные давления, отсечки пара должны быть сверхкороткими, чтобы достичь экономичности, возможность которой теоретически даёт применение пара сверхкритических параметров. При оборотах 3600 об/мин достичь отсечки в 5% и меньше невероятно трудная задача. Поэтому в системе Циклон применена схема регулирования, когда для уменьшения мощности применяется изменение высоты подъёма клапана, после того как будет достигнут предел уменьшения отсечки. Клапан в этом случае служит по совмещению и дросселем что позволяет уменьшить среднее эффективное давление в цилиндре и снизить мощность, которую иначе при таких огромных давлениях снизить было бы невозможно. Управление отсечкой и высотой подъёма клапана происходит автоматически от центробежного регулятора в зависимости от оборотов, и вручную оператором. Максимальная высота подъёма клапана равна 0,09 дюйма (2,27 мм). Для изменения отсечки применён метод скользящего кулачка переменного профиля.
Есть ещё одна изюминка у циклона. Таинственные резонаторные трубки. Они через клапан соединены с пространством цилиндра в его головке и другим концом выходят в огневую камеру. Эти резонансные трубки работают в частоте главных оборотов двигателя и кратных им. Они соединяются с пространством цилиндра посредством управляемого клапана. Этот клапан начинает работать при достижении определённой частоты вращения машины. Пространство этих трубок служит одновременно и дополнительным вредным объёмом, при помощи которого уменьшается степень сжатия на малых оборотах при пуске. Как работает эта термоакустическая система, я пока не разобрался. Судя по заявлениям Шоэла, эта система работает и работает хорошо. По моим скромным мыслительным потугам я думаю, что здесь в основной цикл Ренкина вводится дополнительный цикл термоакустической системы, колебания давлений в которой способствуют увеличению экономичности основного цикла. Эта система работает в более высоком диапазоне температур и поэтому трубки эти должны быть изготовлены из какого-нибудь серьёзного термостойкого сплава. Благо размер этих трубок не так велик.
В принципе, применение дросселирования пара в клапане уменьшает экономичность системы. Сверхкритические параметры могут дать выигрыш только на больших мощностях машины, когда дросселирование пара в клапане минимально. Единственное что оправдывает применение такого сверхкритического пара это работа котла, в котором исчезает зона перехода фаз, а сама сверхкритическая субстанция имеет хорошую способность отнимать тепло. Это создаёт более надёжный котёл в смысле защиты от прогорания. О системе регулирования в двигателе Циклон мне ничего не известно кроме того, что горелка работает в режиме ВКЛ/ВЫКЛ.
Конденсатор циклона выполнен в виде алюминиевой гармошки, образующей одновременно и картер двигателя. Пар отбрасывается вращающимся валом к периферии, центробежной силой, которую создаёт закручивание пара валом. В этом состоит патентованная идея этого конденсатора, поскольку давление пара на периферии несколько повышается и собственно конденсация как таковая происходит при большем давлении чем на выхлопе машины. Одновременно сюда впрыскивается вода от насоса смазки для более быстрой конденсации. Снаружи эта гармошка обдувается воздухом от осевого трёхступенчатого вентилятора-компрессора с двойным механо/электроприводом. Производительность вентилятора для Марка 2 - 1000, а для Марка 6 – 6000 кубических футов воздуха в минуту (28 и 169 м3/мин, соответственно). Из верхней, наиболее горячей части кожуха конденсатора часть воздуха с температурой 210 градусов Фаренгейта (99С) отбирается в камеру сгорания. Но перед входом в неё, воздух ещё подогревается в теплообменнике-регенераторе теплом отходящих газов до температуры 500 Фаренгейт (260С). Теплообменная площадь конденсатора Марк 6 около 55 квадратных футов (ок. 5 м2). Конденсация полная и цикл по воде полностью замкнут, утечки воды ничтожны.
Первые сведения о развитии проекта циклон появились в 2002 году. В то время может быть и сам изобретатель Харри Шоэл не подозревал, что из этого всего выйдет. Потом с 2005 года появились первые публикации посвященные циклону и первые опытные образцы. Первые тесты машин. В паровом форуме появились темы посвященные циклону. Восторги и энтузиазм паровых энтузиастов. Обмен идеями, общее выражение восторга и ожидание прорыва парового двигателя в область своего конкурента ДВС. Покупались акции компании. Ещё бы, тепловая эффективность циклона превзошла эффективность бензинового двигателя. Джим Кранк написал большую бумагу в защиту циклона с выражением надежды на то, что теперь политики и автопромышленники наконец-то посмотрят позитивно в сторону парового автомобиля. Американская Армия закупила партию генераторов 20 кВт на базе Марк 2. Практически все участники форума были очевидцами работы двигателя циклон, они щедро делились идеями, техническими консультациями и поддерживали Шоэла. Затем, начиная с 2014 г. стали появляться какие-то намёки на нечистоплотность руководителя проекта, на недостоверность индикаторных диаграмм испытаний, на которые стали говорить, что они всего лишь являются данными компьютерных расчётов. Потом в 2015 г появилась дискуссия о сомнительной возможности практического достижения высокого КПД при помощи сверхкритических параметров пара. Потом в 2016 г, когда я впервые стал читать этот форум, там была эта тема с «позором»…Все сайты компании циклон исчезли. У меня возникло стойкое мнение, что циклон засекретили. Слишком резкое изменение рыночной ситуации в связи с его появлением в качестве реальной альтернативы ДВС могло напугать круги с огромными капиталами, а во-вторых танк на таком двигателе будет обладать преимуществом паровика, - всеядности и тягловитости, с отличной тепловой экономичностью, что в условиях боевых действий может быть весьма спасительно… Сначала я поддался на гипноз мнений о провале циклона, но углубляясь в тему, я снова стал придерживаться своей первой догадки, кто его знает...
Немного цифр
Давайте определим, какую долю тепла мы можем преобразовать в механическую энергию вращения вала паровой машины. Тепло, которое получилось от сгорания топлива, с самого начала начинает от нас утекать, это неизбежный процесс и наша задача поставить как можно больше преград на пути его утекания. Котёл транспортного средства, как и вся паросиловая система, имеет большой дефицит пространства для размещения. Это касается и веса, который для мобильной установки так же жёстко ограничен. Вследствие этого мы не можем располагать слишком большими площадями для процессов теплообмена, которые происходят в котле, и это сразу налагает ограничение на процент тепла, который горячие газы могут отдать воде и пару. Для портативной мобильной установки самое большее, на что можно рассчитывать это около 85% теплового КПД котла.
Посмотрим, какой максимальный кпд можно получить от цикла Ренкина при технологиях 70-х годов прошлого века. Практика показала, что температуру выше 800F или 430С на первом этапе увеличивать нет смысла. Слишком дорого обходится это повышение и практически не даёт ощутимого выигрыша. Очень большое повышение давления тоже не имеет смысла сверх некоторого предела, потому что дело упирается в увеличенные утечки пара через поршневые кольца, повышенные требования к парораспределению, которое должно обезпечивать очень короткие отсечки, для реализации экономичного цикла при однократном расширении. Введение ЦНД не даёт ощутимого выигрыша, а усложняет двигатель многократно. То есть прежде чем повышать давление и температуру мы должны сначала научиться их использовать без потерь. Таким пределом давления в наши дни можно считать 90-100 бар и даже меньше. Думается интуитивно, что даже 50-70бар будет достаточно для вполне хорошей машины.
При давлении 100 бар и температуре 440С пар имеет следующие свойства. Энтальпия h1 = 3215 кДж/кг, удельный объём v = 0,01864 м3/кг, энтропию s = 6,3837 кДж/кгК.
Нижнее давление определяется тем, что на мобильной установке практически невозможно создать вакуум в конденсаторе по той же причине ограничения на размеры. К тому же увеличение мощности привода вентилятора может сожрать всю прибавку мощности от применения вакуума. Поэтому задача конденсатора на транспортном средстве просто сконденсировать весь пар, чтобы цикл по воде был замкнут. Отсюда вытекает, что давление в конце рабочего хода для прямоточной машины может быть только больше атмосферного, а для противоточной почти равно ему. У прямоточной машины давление выхлопа будет больше, чем у противоточной, из которой пар выталкивает сам поршень. Насколько? Настолько, сколько надо чтобы вытолкнуть лишний пар из цилиндра прямоточной машины и чтобы работа, которая будет затрачена на компрессию, была существенно меньше, чем полезная работа пара в цилиндре. Мы разсматриваем пример прямоточной машины. Примем условно для наглядности конечное давление в цилиндре 4 бар. При абсолютно идеальном процессе расширения конечная энтропия пара будет та же 6,3837 кДж/кгК. В нашем случае это означает, что пар в конце хода будет влажным, с температурой около 145С и содержанием воды около 9,65%. В случае не изоэнтропийного расширения, каковое оно на самом деле и есть, влажность чуть уменьшится, а температура возрастёт от 145С, но мы пока разсматриваем идеальный случай. Для конечного состояния энтальпия пара при 4 барах и 9,65% влажности будет примерно h2 = 2576 кДж/кг. Тогда идеальная работа пара при расширении будет равна 639 кДж на каждый кг пропущенного через машину пара, а КПД будет равен отношению этой величины к 3215-377 = 2878 кДж/кг, подведённого в котле тепла. Итого 0,225. Таков теоретический предел мечтаний для чистого цикла Ренкина с заданными начальными параметрами пара, температурой 440С и давлением около 100 бар и конечным давлением в 4 бара. Должен заметить, что расчёт этот сильно упрощён, такая методология больше подходит для расчёта КПД турбинного цикла Ренкина, но для простоты применим его к паровой машине. Если применить подогреватель питательной воды, то КПД может немного увеличиться. Этот КПД полученный нами выше не учитывает тепла потерянного в котле с уходящими газами.
Начинаем резать. Допустим, мы создали отличный котёл, который 85% тепла сгоревшего топлива отдаёт на образование пара. Значит наши идеальные 22,5% уменьшились до 19,1%. Пар, проходя трубы котла и паропровода, потерял часть давления и тепла, ещё процентик долой, остаток 18,9%, Дросселирование пара в регуляторе давления, впускных клапанах? Остаток, пусть 18% Хорошая возвратно поступательная машина имеет механический КПД 0,92-0,95, допустим, осталось 16,7%. Потери от утечек? Примем оптимистично 5% Потери тепла в цилиндре? Примем 10%, Потери на привод парораспределительного механизма? Примем ещё 0,7%. Итого остаток 14%. Далее надо учесть, что воду в котёл надо закачать насосом. То есть проделать работу над водой равную произведению давления на объём. На один кг воды имеем затраты 100 кг/см2 = 1000 Н/см2 = 10*6 Н/м2 давление умножить на 0,001 м3 объём получим 10000 Н*м или 10 кДж/кг. КПД насоса, КПД передачи, избыток подачи на всякие но – итого примем 12 кДж/кг, или 12/639 = 0,018 или около 2,7% от располагаемого теплоперепада цикла. Привод вентиляторов котла, вспомогательных насосов (циркуляционный, топливный, масляный) ещё пару процентов. Привод вентилятора конденсатора надо разсмотреть особо. Он может работать от выхлопной турбины и не поглощать основной мощности. Итак, при нашем очень примитивном и грубом прикидочном расчёте от наших идеальных 22,5% осталось условно реальных, приблизительно 12-13%. Надо заметить, для того чтобы в реальности добиться такой цифры надо изрядно потрудиться. Этот расчёт не совсем корректен, так как при разсмотрении работы в цилиндре не учитывает ту работу, которую совершает пар на впуске, пока открыт клапан, он описывает процесс расширения в турбине. Для данного разсмотрения примем его допустимым, хотя в дальнейшем, при наличии реальных расчётов парового двигателя для мотоцикла эта главка будет пересмотрена.
Нашумевший в своё время паровой грузовик НАМИ, несмотря на государственное финансирование, не смог приблизиться к таким показателям, но достиг только половины этого результата. Его КПД был всего около 7%. Если бы его КПД был вдвое больше, то в тайге бы наверняка до сих пор бегали сотни паровых грузовичков и счастливые обладатели тех реликтов, после доброго ремонта имели бы сейчас хорошую помогу в хозяйстве. Но, увы… Трясущиеся от страха угодить на Колыму за любую здравую мысль, идущую вразрез с генеральной линией, сталинские научно технические работники не смогли проявить своего творческого потенциала в должной мере. Искра Божия покинула потомков несчастных отступников от Веры Отцов. Полученный нами приближенный КПД, который в принципе достижим, означает, что грузовик НАМИ 012 мог бы уже проехать на своей загрузке дров в 350 кг уже не 100, а 200 километров. Вместо 60 литров солярки для такого грузовика на дизельном двигателе, всего лишь 350 кг сырых дров! Конечно, бачок солярки выглядит очень компактно по сравнению с таким бункером, но что значит этот бункерок для 12 тонного грузовика? А если применять воздушно сухие дрова, тот грузовик пробежал бы расстояние ещё раза в полтора большее. Разве это не замечательно? Однако это далеко не предел, господа присяжные заседатели. Если поднатужиться и сделать всё на уровне не прошлого, а нынешнего века, можно добиться КПД и 18-20%, чует моё сердце. А если взяться по-научному, то и больше. Только для этого надо провести гигантскую лабораторную работу.
Так что у пара потенциал есть. У кого есть желание, нет денег. Те, кто имеет деньги хотят только одного в этом направлении - ещё больше денег и по возможности, без особых затрат и главное надёжно. А тут неизвестно какой будет барыш. А затраты немалые, на разработки и постройку только опытных образцов нужно несколько миллионов. Однако если призадуматься смысл двигать в этом направлении есть. Российская нефть скоро не будет в российских руках. Китай оттяпает все нефтеносные районы Сибири. Чеченцы свою нефть забрали. С чем останется остаток России, когда политика национальной измены будет доведена до своего «победного» логического конца? Удмуртия? Её хватит только для обороны, ведь надо будет заправлять самолёты, танки и прочую военную технику, её-то на дрова вряд ли переведёшь. Всю жидкость, которая горит, конфискуют для этих нужд. Так что забытый паровой грузовичок пора, пожалуй, доставать из пыльных архивов. Кто первый, господа? Начинать можно с малого. Паровой мотоцикл хорошая тема для начала. Можно так же начать с паровой электростанции для пилорамы или котельной.
О переделке ДВС в паровик
На первый взгляд просится идея использовать для создания парового двигателя уже готовые бензиновые двигатели, которые производит современная промышленность. Они так сходны внешне с паровой машиной! В принципе некоторые из основных компонентов ДВС можно вполне использовать для создания паровой машины, работающей на масляной смазке. Коленвал, шатуны, картер. Пара радиаторов подойдёт для охлаждения воды для конденсатора машины половинной, чем у донора радиаторов мощности, возможно клапана, толкатели, привод ГРМ с изменённым вдвое отношением частоты вращения его вала. Пожалуй, всё. Сами головки, блоки, поршни ДВС, распредвалы совершенно не годятся для работы в качестве паровой машины. Как говаривал не раз Дж. Кранк, паровая машина это совершенно иной зверь. И поршни, и цилиндры с головками и кулачковые валы для паровой машины придётся ковать заново. Если же взять готовый блок цилиндров рядного двигателя и напрямую использовать его для паровой конверсии, его выгнет в дугу при первых же минутах работы и заклинит коленвал. Другое дело если у Вас нет особых амбиций и устроит пар с температурой не выше 200С, тогда пожалуйста, можно попробовать. Однако это уже из другой оперы и к направлениям, развиваемым в данной работе, не относится.
При выборе деталей от стандартных серийных двигателей необходимо учесть, что число оборотов паровой машины, как правило, меньше, поэтому выбирая, например, коленвал от двигателя скажем, 70лс при использовании его в ПМ с числом оборотов вдвое меньшим мы можем конструировать на его основе машину с мощностью только 35 лс. И т.д.
Иногда для стационарной паровой машины можно использовать двигатель внутреннего сгорания целиком, применяя его только в качестве готового возвратно-поступательного механизма. Головку блока такого двигателя выбрасывают, ГРМ туда же. Родные кулачки для конверсии совершенно не годятся. Головку блока заменяют плоской крышкой с сальниками для штоков, выходящих наружу. Поршни такого двигателя будут работать как крейцкопфы паровой машины. (они должны быть просверлены для перепуска воздуха при своём движении) Паровая часть этой машины надстраивается сверху такой комбинации и соединяется с поршнями ДВС посредством штоков. Такая конструкция позволяет избавиться от проблемы воды, попадающей в картер двигателя от утечек через кольца. Паровые поршни со штоками создадут добавочную массу деталей движущихся возвратно поступательно, поэтому обороты паровой машины при таком симбиозе будут заведомо меньше чем, обороты ДВС донора. Соответственно и мощность паровой машины, созданной по этому принципу, будет меньше, хотя сам этот комбинированный двигатель будет тяжелее. Для стационарной установки это не имеет особого значения, здесь можно выиграть в стоимости проекта и быстроте его воплощения в жизнь. Главное знать, как правильно устроить паровую часть такого двигателя.
Что дальше?
Выше в принципе описан на чисто умозрительном уровне комплекс основных процессов, которые идут в установке с паровым двигателем. Для того чтобы практически решать задачу создания паросиловой установки с паровым двигателем необходимо описывать и решать задачу на инженерном уровне с применением конкретных цифр и просчётов всех конструктивных решений. Создание реальной установки это путь постоянных компромиссов. Изменение одного параметра влияет на весь комплекс в целом. Возьмите, например, проблему с выхлопной турбиной. Её применение повысит противодавление на выхлопе из основной машины, вследствие чего уменьшится её мощность. Увеличится компрессия, значит надо изменять величину мёртвого объёма или время закрытия вспомогательного выхлопного клапана, если у Вас он есть...
Что больше дополнительная мощность турбины или потеря мощности основного паромотора? Оправдано ли усложнение конструкции полученной прибавкой мощности, если она есть? Или тот же вопрос о выборе оборотов машины. Больше обороты - машина меньше, потери на трение, утечки, потери тепла меньше, НО меньше и ресурс, возникают трудности с работой паровпускных клапанов, ведь их быстродействие должно быть на порядок больше, чем для ДВС. Нагрузки со стороны пара на механику и подшипники у паровых машин тоже больше чем у ДВС. При повышении оборотов возрастут и проблемы с балансировкой. Всё должно быть учтено и, по возможности, точно рассчитано. На конечный результат влияют так же ограничения, налагаемые на объём и вес установки, которые не должны превышать определённых значений. Тысячи и тысячи различных взаимоувязок необходимы для оптимизации конструкции парового двигателя, впрочем, необязательно парового и необязательно двигателя. Творческий путь и конструктора и художника требует большого терпения и глубокого осмысления и понимания проблемы.
Следующий параграф будет посвящён некоторым практическим вопросам, которые я подсмотрел на форуме американских любителей парового автомобиля.
Некоторые практические сведения
Паровые системы должны быть очень тщательно сделаны, особенно созданные на любительском уровне, поскольку пар дело нешуточное. Если Вы хотите, чтобы Ваша система не просто шипела и крутилась, двигая многочисленными красивыми рычагами и колёсиками, а была практически пригодна к выполнению полезной работы, необходимо подходить к делу серьёзно. У любителя, как правило, недостаёт средств и знаний для создания силовой установки высокотехнологичного уровня. Но иногда можно достигнуть неплохого результата и простыми средствами. Простота эффективных решений в данном случае, не хуже воровства, а сродни таланту. Главное, применяя смекалку и умение, исходя из подручных средств, не забывать основы теории двигателей на цикле Ренкина, и по максимуму использовать свои знания для создания оптимальной системы.
Как правило, силовая система на цикле Ренкина содержит большое число трубопроводов, находящихся под значительным давлением и при высокой температуре. Как их соединять? Неразъемные места можно соединять пайкой и сваркой, но некоторые участки требуют разсоединения трубопроводов при проведении ремонтно-регламентных работ. Фитинги, как теперь по-английски называют у нас разъёмные соединения трубопроводов, на высокие давления и температуры достаточно дороги. Американские любители часто применяют для такой цели соединение из трёх болтов с гайками, стягивающими две пластинки-фланца в которых развальцованы конусом соединяемые трубки. Между фланцами в конуса трубок вставлен просверленный шарик из твёрдой стали. Диаметр шарика берётся в два раза больше, чем диаметр трубок. Шарик желательно проточить в центрах до образования пояска облегчающего ориентацию отверстия относительно паропроводов при монтаже. Такое соединение зарекомендовало себя как очень надёжное до давлений 50-100 бар.
При изготовлении котла типа Ярроу вварить в барабан большое количество рядом находящихся трубок представляет собой весьма непростую задачу. Поскольку котлы такого типа работают, как правило, с давлениями, не превышающими 25 бар, пайка твёрдыми припоями прекрасно справляется с задачей, а технологичность её в этом случае намного выше. Концы трубок в не слишком длинном барабане от 7см диаметром и достаточно толстой стенкой можно просто развальцевать. При толстой стенке барабана иногда хорошая вальцовка справляется даже без пайки. Если барабан относительно тонкий, то можно применить ещё способ вваривания в него коротких патрубков, а в них уже впаивать или вальцевать трубки котла. Короткие патрубки вваривать в барабан уже намного легче, чем непосредственно вваривать сами трубы котла.
При изготовлении паровой машины, кроме автомобильных колец пока нам применять практически нечего. Если же Вы умеете сами изготовить поршневые кольца, то знайте, что хорошие кольца для пара не должны иметь щель в разъёме кольца, как теперь делают в автомобильных кольцах, а должны быть изготовлены с уступом, как делали раньше. Пар имеет гораздо большие протечки, чем газ в автомобильных ДВС. Первая причина этого, его меньшая молярная масса, а вторая большее среднее давление в цилиндре паровой машины при большем времени действия этого давления. При использовании простых колец в силу необходимости, подберите тонкие кольца и вставляйте их по два в одну канавку с разнесением разъёма на 180 градусов, можно сошлифовать наверное, обычные кольца. В этом случае неплохо бы закрепить кольца от проворачивания в канавке штифтами. Больше всего ценятся кольца, которые имеют вид спиральной пружинки состоящей из нескольких витков. В Америке такие кольца производила раньше какая-то фирма, но сейчас, похоже, и там таких не производят.
Для смазки паровой машины совершенно не годятся масла, которые легко создают эмульсии с водой. Необходимо применять только не компаундированные минеральные масла. Лучше всего специальные цилиндровые масла, которые легко от воды отделяются. Масло, если мы его применяем в паровой машине, неизбежно придётся тщательно отделять от воды и пара. Существуют вещества, к которым оно жадно прилипает, особенно когда всё это находится в воде. Такими веществами являются полиэтилен, полиэстер и некоторые другие. Фильтры и подушки из этих веществ очень хорошо впитывают масло. Хорошим фильтром для отделения масла от пара является прессованая алюминиевая тонкая стружка.
По мере накопления информации я буду пополнять этот раздел.
Площадь сечения входного канала (кв. дюйм) равна площадь поршня умножить на среднюю скорость его (фут/мин) и делить на 10000 (9000-15000). Для впускных окон. Для выпускных, коэффициент будет 6000-7000. Это эмпирические данные, основанные на опыте Добля, и других основоположников современного пара. Мы уже имеем возможность заняться этой «мелочью» более скрупулёзно.
Для сальниковых уплотнений обычных паровых машин успешно применяются углеродоволоконные сальниковые набивки (кевлар).
В паровых машинах Стенли в качестве набивки применялась медная тонкая проволока пропитанная порошковым графитом, либо в виде путанки либо в виде плетёных жгутов.
При использовании шариковых клапанов диаметр седла должен быть около 0,7 D шарика, канал в котором бегает шарик не менее 1,3 D и высоту подъёма не более 1/6 D.
Скорость пара во впускном канале 11-12 фт/мин (3,5-4 м/мин) считается хорошей практикой.
Теперь осталась работа конструктора. Уточнить данные грубые вычисления и идеи, сконструировать всю паросиловую систему. Отшлифовать узлы и регулировки. Всё грамотно скомпоновать. Если Господь дарует мне такую возможность, то после изготовления испытаний агрегата, будет написана вторая часть книги. А если нет, то может быть кто-то из читающих сей опус возьмётся изготовить паровой двигатель нового поколения, который сможет работать наравне с существующими двигателями и успешно конкурировать с ними.
(надеюсь, продолжение последует)
P.S.
Господа, выше я изложил некоторые материалы о работе и устройстве паросиловых установок небольшой мощности, которые могут быть применены как для выработки электроэнергии портативным генератором, так и для приведения в движение транспортного средства, грузовика, трактора. Убедительно прошу присылать отзывы, критику, вопросы, сообщения о замеченных опечатках, всякого рода неточностях и, особенно, об искажениях истины. Верю, что совместными усилиями мы приручим парового зверя и запряжём...
Перескажу одну историю. Это примерный, вольный перевод одной статьи из журналов SA (Steam automobile)
История одного мотоцикла.
Поставить паросиловую установку на раму мотоцикла и однажды... запалить огонь под котлом, пронестисть по улице.... Такая мечта поселилась в уме Нила Гиленвотерса и не давала ему покоя. Будучи квалифицированным механиком и владельцем одного Уайта и двух Стенли, имея у себя в наличии бак, колеса и покореженную раму мотоцикла Тор (Thor), 1914 г. выпуска, пережившего столкновение с автомобилем, он имел достаточно оснований, чтобы разсмотреть эту идею всерьез. Фирма Тор впоследствии перешла с мотоциклов на выпуск моечных машин и электродрелей. Поскольку у Тора передняя вилка была искорежена, Нил взял вилку от мотоцикла Поп (Pop). Ручной питательный насос, различные клапана-вентили, манометр, топливная автоматика и некоторые другие части были взяты из запасных частей от ранних Стенли. Коленвал и маховик были взяты от машины неизвестного происхождения, все остальное собрано из всякого металлолома.
В 1922 г, после двух-трех лет конструирования и работы Гиленвотерс вывел свою 550 фунтовую машину на первый заезд. Колесная база мотоцикла была 67 и 1/2"...Впоследствии, много Воскресных дней Нил Гиленвотерс состязался с полицейскими Сакраменто, выясняя чей мотоцикл лучше. Нил считал, что его Steam Flyer превосходит полицейские Харлей Дэвидсоны, а полицейские придерживались другого мнения. Что бы выяснить кто прав, не оставалось ничего другого, как свернуть на проселок и "взбить немного пыли". Флаер брал верх с самого старта. Похоже полицейским с их Харлеями того времени так и не удалось обогнать Гиленвотерса. Однажды, настроив котел на предельное давление в 1000 psi, (фунтов на кв. дюйм, что соответствует 70 ат, примерно) на передаче 2:1, он развил скорость 110 миль в час. Обычно же автомат давления был настроен на 650 psi. Гиленвотерс утверждал, что при полной заправке баков он может проехать 150 миль. Хотя при емкости топливного и водяного баков 3.1 и 2.1 галлонов очевидно, что запас воды пришлось бы пополнять через каждые 15 миль.
Желая довести машину до совершенства, Гиленвотерс часто возился вокруг неё и в течение многих лет производил различные модификации и настройки.
В частности однажды он попытался применить горелку распылительного типа вместо испарительной, но неудачно. Поэтому он вернул назад испарительную горелку. Как-то Французское правительство хотело купить у него мотоцикл, но их цена не устроила Гиленвотерса, Потом проявляла интерес к покупке Socony vacuum oil com.... Наездив на своем Флаере десятки тысяч миль, в конце концов Нил продал мотоцикл в какой то музей для рекламы, тот музей другому музею, и после нескольких перемещений машина упокоилась в большой стеклянной витрине музея Sutro Buth для привлечения посетителей.
Со временем солидную зеленую окраску покрыли слоем ярчайшей краски цвета пожарной машины. Название машины "Steam Flyer", написанное на боковой поверхности котла, закрасили, а табличка, помещенная в витрине, рядом с мотоциклом, хвастливо дезинформировала посетителей что это "Первый и единственный паровой мотоцикл, построенный в Америке". Приписка сообщала, что это вероятно самый быстрый экипаж на колесах, предел скорости которого не установлен, потому что нет человека, который отважился бы дать ему полный ход. По выходным музейщики устраивали шоу, в котором предлагали плату тому, кто сумеет проехать на этом супер мотоцикле пару минут. (конечно в век победившего ДВС, вряд ли мог сыскаться человек, который смог бы запустить старую машину, безприглядно простоявшую в витрине столько лет)
Рой Андерсон вспоминал, что однажды, когда он был в этом музее, восхищаясь мотоциклом, подошел другой посетитель и, тщательно оглядев машину со всех сторон, уперся вдруг пристальным взглядом в блестящий латунный манометр. Приняв его за спидометр, он с отвращением воскликнул - "Тысяча миль в час!!! Враки, ни одна машина в мире не может двигаться с такой скоростью!"
В 1975 году автор начал реставрацию Steam Flyer-а для его нового владельца Эда Зелински. Баки машины были наполнены окурками, вишневыми косточками и всяким мелким мусором. К тому же они изрядно поржавели, поэтому их пришлось заменить на новые, из нержавеющей стали. В котле, в камере сгорания обнаружился изрядный слой песка, который был и в картере. Вероятно, он попал туда при перекраске, из-за использования пескоструйки. Резину с колес (28 на 3) пришлось спиливать ножовкой, так как она превратилась за это время в твердый материал. Была сменена приводная цепь и кроме неё безчисленное количество компонентов и деталей. Топливный аккумуляторный бак, куча клапанов, седел, кранов, вентилей, много футов изогнутых трубопроводов, крышки баков, были заменены рукоятки руля, которые имели амортизацию для смягчения ударов на неровностях дороги... и многое, многое. Невероятно, но факт... Котёл сохранился в хорошем состоянии, пройдя сквозь годы он был способен держать давление.
Для генерации пара Гиленвотерс использовал водотрубный котёл, подобный котлу установленному на Добле Детройт. (Намучавшись с этим котлом Абнер Добль в своё время написал, что не видел под капотом автомобиля более плохого котла.) Большая часть его теплопередающей поверхности была образована гребёнками сваренными из гладких стальных труб 1/8 дюйма (это около, чуть больше 4 мм.(Не опечатка ли? Скорее всего, их диаметр был 3/4" (тут легко можно прикинуть примерный диаметр, т.к. приведённые далее данные позволяют) 24,3 квадратных фута были образованы 20ю гребенками, каждая из которых состоит из 15 вертикальных трубок. Выступающие за горизонталь выступы не больше дюйма. Котёл имеет 2 паровых барабана, экономайзер и пароперегреватель. Гребёнки были поставлены вертикально одна за одной, и выступающие концы были соединены 4 трубками 3/4". Восьмифутовый пароперегреватель находился снизу гребёнок, а экономайзер сверху. Габариты котла в сборе с корпусом 16" дл. 10.5" выс. 12" шир. (этот котел не самая удачная конструкция, Абнер Добль имел большие проблемы с ним и впоследствии отказался от него, сконструировав свой знаменитый монотрубник)
Испарительная горелка аналогична горелкам, которые использовались на авто Стенли и Уайта. Из её 840 отверстий просверленных сверлом №50(?) исходило ярчайшее голубое пламя. Для топлива использовалась керосинобензиновая смесь соотношением 1/1. Для старта использовался ручной топливный насос. Настоящий Стим Флаер не имел бака-аккумулятора давлелния топлива в основной топливной системе. Им была снабжена пилотная горелка. Она работала лучше всего на бензине. В отреставнированном "Флаере" аккумуляторный бак один на обе системы, пилотную и основную, и обе работают на бензине. Процедура старта очень сходна со стартом паровика Стенли.
После окончания реставрации потребовалось безчисленное число розжигов, для того, чтобы убедиться в надежности системы. Постепенно все болезни были изучены и изцелены. Все более и более продолжительные поездки вдруг показали, что парогенератор всё труднее и труднее удерживает давление. При обследовании обнаружилось, что при достаточно большом числе взрывов остаточной горючей смеси в котле при повторном включении во время отладки, вылетела прокладка между корпусом самого котла и горелкой, через которую в котел стал подсасываться воздух. Эти взрывы происходят, когда после того, как автоматика отключила горение, в испарительной горелке остаток паров топлива выходит в камеру уже не сгорая и наполняет её. Когда автомат снова запускает горелку, происходит маленький буммм. (Резюме: паров не должно быть, для чего подача топливных паров должна отсекаться вблизи их выхода в топку).
Паровая машина трехцилиндровая с расточкой цилиндров 1 3/4" и ходом поршня 2 3/4". Клапана тарельчатого типа приводятся в движение скользящим трехпрофильным кулачковым валом, который обеспечивает отсечку 1/4", 5/8" и реверс. Кулачковый вал непосредственно толкает шток клапана вверх. Цилиндр снабжен также дренирующим краном, расположенным на головке цилиндра для прогрева машины. Все три цилиндра образуют блок. На практике отсечка 1/4 достаточна. Реверс используется очень редко, если не никогда, вероятно Гиленвотерс подумывал о четырехколесном паровичке и хотел использовать эту машинку для него. Коренные подшипники сначала были шариковые, открытого типа, но регулярное попадание воды в картер заставило перейти на подшипники закрытого типа, а обоймы шатунных подшипников хромировать, так же как и сами шатуны.
Поршни тронкового типа относительно большой длины, как принято в практике подобных машин. Имеют 4 уплотнительных кольца. Кольца расположены сверху и снизу поршня. Поршень дополнительно снабжён лабиринтным уплотнением в виде проточек. Поршни и цилиндр отлиты из чугуна, картер отлит из алюминиевого сплава.
Мощность передаётся через промежуточный вал и через 2-х ступенчатую планетарную коробку передач передается на заднее колесо основной цепью. Передаточное число через редукцию 4:1, а напрямую 2,3:1. При скорости 60 миль в час (узлов) двигатель развивает 1160 об/мин. на прямой передаче. Крейсерская скорость оригинала была 85 узл., но после реставрации не превышает 50 узл. из-за фактора возраста и износа шестерён.
Сбоку картера располагается вал привода 4-х плунжерных насосов, (Этот бок - передний судя по всему) который приводится в движение открытой шестеренной передачей от вала машины. Плунжеры диаметром 3/8" и ходом 2 1/4". Два питательных насоса питают котёл, один топливный и один насос маслосистемы. Она снабжена контролем расхода масла в системе, который встроен в маслосистему со стороны всасывающей линии насосов.
Промежуточный "контрвал" приводится во вращение через кулачковое сцепление. Есть два ручных насоса, Стенли, один настоящий, а другой его точная копия, для пополнения топливной и масляной системы во время остановки.
После того как старт осуществлён, контроль за основными потоками берёт на себя автоматика. Топливная автоматика стравливает лишнее топливо в бак, если его давление слишком велико, а паровой датчик давления отключает горелку, если давление пара становится больше нормы. Поток воды, поступающей в котел, регулируется байпасом питательного насоса, который возвращает лишнюю воду обратно в бак. Для отслеживания уровня воды в оригинале был установлен контрольный краник (trycock), который в ходе реставрации дополнен водомерным стеклом для удобного и простого регулирования уровня воды. Дроссельный клапан имеет вид большого рычага с левой стороны пароцикла. Кроме тормоза это единственный орган управления в пути. Едет Стим Флаер абсолютно плавно и почти безшумно, только тихое паф-паф-паф, да легкое постукивание клапанов сопровождают его во время движения... Потребление топлива и воды специально никогда не замерялось, но из опыта что-то около 20 и 5 миль на один галлон соответственно.
Автор статьи Давид Сарли, она напечатана в журнале Steam Automobile Vol 19 №1 1977 у.
Перевел статью О. Р. Паровичкофф.
Паровой мотоцикл. Заманчиво, не правда ли? Кстати, существует ещё мотоцикл Филда, он даже совершеннее, он имеет конденсатор, и потому его пробег гораздо больше. Сделан он раньше, в 1908, а в 1932-oм модернизирован. Реставрирован в 1985 г. К сожалению, в наше время, несмотря на многие достижения в технике мало кому из энтузиастов в мире, удалось создать устройство хотя бы на уровне Стим Флаера или мотоцикла Филда. Несколько штук в Америке, Англии и Австралии. В России никто. За Державу обидно. Мне кажется, пришло время попытаться исправить эту несправедливость.
В реальном воплощении сегодня паросиловая установка мотоциклетной мощности, использующая в качестве топлива дрова, древесный уголь и вообще много чего, что горит, могла бы стать весьма привлекательным приводом для транспортного средства для охотников и рыболовов. Квадроцикл с паровым мотором, который можно заправлять прямо в лесу, который может вылезти из любой ямы, не переключая никаких передач, просто, как будто его вытянули лебёдкой …. Я думаю, нет смысла объяснять как это неплохо. Создать такой аппарат дело нешуточное. Денег и знаний нужно изрядно.
Вряд ли это возможно в одиночку, хотя у кого-то может быть и есть ресурсы на такой проект. Но для большинства простых самоделкиных, такой проект займет годы и годы. А может и совсем провалиться. Не достаточно ли оснований объединить усилия? Не потому ли Американцы и пр. англосаксы лидируют, что у них есть клубы и объединения, которые помогают участникам создавать реальные аппараты? Хотя конечно, реальное наследие предков плюс живая передача из поколения в поколение, наличие профессиональных специалистов в этом деле тоже немаловажный фактор. Если бы удалось организовать группу энтузиастов на основах взаимной кооперации и взаимопомощи, то можно вполне снабдить каждого участника проекта своей ПУ (паросиловой установкой), сконструированной им самим или клубным проектом, в реально обозримый срок. Поэтому я хочу предложить всем желающим в обозримый срок иметь свой паровой мотоцикл, автомобиль, трактор, генератор.....аэропланъ(?) создать Российский клуб паровой тяги. Цель клуба содействие развитию современной паровой техники. Есть ещё одна причина, по которой такой клуб создать просто необходимо. Можно скинуться и вступить за 33 доллара в год в члены американского клуба SACA. Это даст возможность получать паровой бюллетень, из которого можно почерпнуть массу интересных и полезных сведений и идей в области современных паровых машин. Время не ждёт, господа. Надо действовать.
Отто Паровичкофф.
Кого заинтересовали эти материалы, и кто хочет участвовать в проекте создания парового мотоцикла, или парового электрогенератора, или имеет свой собственный проект, прошу не стесняться и писать на p-ffsteamco@yandex.ru. Совместными усилиями можно достичь результата легче, чем в одиночку.
Посетите раздел форума Чипмейкер Паровые двигатели, там можно найти много полезных сведений и пообщаться на паровые темы.
