Современный паровой двигатель

Стимпанк как веяние эпохи паровых машин

Говоря о паровых машинах, хочется упомянуть о популярном направлении – стимпанке. Термин состоит из двух английских слов — «пар» и «протест». Стимпанк — это вид научной фантастики, которая повествует о второй половине XIX века в викторианской Англии. Данный период в истории часто упоминается как Эпоха пара.

Все произведения имеют одну отличительную особенность – они повествуют о жизни второй половины XIX века, стиль повествования при этом напоминает роман Герберта Уэллса «Машина времени». В сюжетах описываются городские пейзажи, общественные строения, техника. Особое место уделяется дирижаблям, старинным машинам, причудливым изобретениям. Все металлические детали крепились при помощи клепок, поскольку сварку еще не применяли.

Термин «стимпанк» возник в 1987 году. Его популярность связана с появлением романа «Разностная машина». Написан он был в 1990 году Уильямом Гибсоном и Брюсом Стерлингом.

В начале XXI века в этом направлении было выпущено несколько известных кинофильмов:

• «Машина времени»;
• «Лига выдающихся джентльменов»;
• «Ван Хельсинг».

К предтечам стимпанка можно отнести произведения Жюля Верна и Григория Адамова. Интерес к этому направлению время от времени проявляется во всех сферах жизни – от кинематографа до повседневной одежды.

Выгодный пар

Паровой автомобильный транспорт, в том числе грузовики и автобусы, сегодня вполне реально рассматривать как один из возможных путей решения проблемы очищения воздуха в городах. Загрязнение атмосферы городов выхлопными газами уже достигло пределов, угрожающих здоровью людей. А что может предложить паровая техника?

Во-первых, выхлоп самой паровой машины экологически чистый – это водяной пар. Под паровым котлом можно сжигать фактически любое углеводородное топливо. А выхлоп от котла будет гораздо чище, чем от ДВС, поскольку топливо сгорает в топке или горелке при значительно более низких давлениях, чем в цилиндрах ДВС. Ещё возможно добавить к горелке некий аналог каталитического нейтрализатора выхлопных газов, как у ДВС.

Во-вторых, котлостроение за 60 с лишним лет, после создания паросиловой установки грузовика НАМИ-012, ушло далеко вперёд. Создание в XXI столетии малогабаритного транспортного парового котла прямоточной конструкции, экономичного и с высокой степенью автоматизации работы – это объективная реальность. Кстати, такая задача была под силу ещё в докомпьютерную эпоху 1930-х гг. известным братьям Добл. Особенно, если разработку сегодня вести с использованием компьютерных систем автоматизированного проектирования (САПР) для трёхмерного моделирования, расчётов и оптимизации.

В-третьих, ДВС нашего времени более компактны, чем ряд автомобильных паровых моторов прошлого, и вполне возможна конверсия их в современные паровые моторы. У них будут все достоинства паровых поршневых машин: плавность хода, практическая бесшумность при работе, большой крутящий момент на валу, отсутствие коробки передач, сложной трансмиссии, стартера, глушителя. Отпадает потребность и в смазочном масле: вполне сгодится вода!

В-четвёртых, опасность размораживания паросиловой установки в зимний период возможно свести на нет за счёт герметичной системы парообразования и применения незамерзающих жидкостей, способных эксплуатироваться длительное время без утечек.

В-пятых, многим специалистам может показаться, что запуск парового грузовика или автобуса будет более продолжительным, чем у обычного транспорта с ДВС. Однако уже к началу 1970-х были отработаны конструкции паровых моторов, способных переходить от холодного состояния до момента трогания с места транспортного средства всего за 30–35 с.

ПароРоссия

Паровые автомобили, конечно, не могли пройти мимо России. Первой работающей на угле и воде отечественной моделью в 1830 году мог бы стать «Быстрокат» Казимира Янкевича. По расчетам конструктора эта паромашина могла разгоняться до скорости 32 километров в час. Но машина так и осталась на бумаге.

Первую паромашину создал талантливый русский крестьянин Федор Блинов. В 1879 году он получил патент «на особого устройства вагон с бесконечными рельсами для перевозки грузов по шоссейным и проселочным дорогам». Позже этот вагон превратилсь в гусеничный паровой трактор, который Блинов научил еще и поворачивать из-за разницы в крутящем моменте на каждой из гусениц. Но детище изобретателя не оценили, лишь выдали небольшую премию.

Первый российские паромобили стали выпускать на московском заводу «Дукс». Те кто, коллекционирует ретро-модели знает эту изящную машину «Локомобиль».

«Автомобили совершенно не шумят, чего до сих пор нельзя сказать про бензиновые. Даже электромобили, приводимые в движение электричеством, этой силой будущего, шумят (скорее, жужжат) более, чем паромобили «Дукс». Весь его механизм настолько прост и компактен, что помещается под сиденьем и не требует для своего размещения никаких выступающих частей, как, например, нос у бензомобилей, не имеет перемены передач, электрических батарей, магнето, легко ломающихся свечей, одним словом, всего того, что бывает причиной большинства поломок и хлопот у бензиновых автомобилей», – писал в начале прошлого века журнал «Автомобиль».

Быстро развивающиеся двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине, поставили точку в развитии паромобилей. Изобретатели пытались возродить эту технологию, но их идеи не находили поддержки.

Наши пар и дрова

Идея создания современного, неприхотливого в эксплуатации, надёжного и работающего на дешёвом топливе парового грузовика занимала умы изобретателей и конструкторов после Великой Отечественной войны, когда эпоха пара в технике всё более уверенно вытеснялась дизельной. Историкам автомобильной техники хорошо известен отечественный паровой грузовик НАМИ-012, разработанный в начале 1950-х гг. специалистами столичного Научного автомоторного института «НАМИ» и работавший на дровах. (см. «Затея с паромобилями» и «Паровой автомобиль НАМИ-012»)

Паросиловая установка грузовика НАМИ-012 оказалась сложнее автомобильных силовых установок с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Правда, справедливости ради, необходимо отметить малоизвестный факт. На паровой машине НАМИ-012 были проведены экспериментальные исследования в широком диапазоне изменения частоты вращения выходного вала. Удалось установить, что для паровых моторов (высокооборотных паровых машин) с ростом частоты вращения механический КПД монотонно снижается из-за роста механических потерь, но относительный индикаторный КПД увеличивается в большей степени, что объясняется значительным снижением потерь от утечек пара и теплообмена между паром и стенками цилиндров.

А вот гидравлические потери при впуске пара в цилиндр увеличиваются незначительно. После достижения некоторой критической частоты вращения вала наблюдается обратный эффект, когда с ростом частоты вращения гидравлические потери увеличиваются значительнее, чем снижаются потери от утечек пара и теплообмена, что приводит к снижению относительного индикаторного КПД.

Таким образом, при изменении частоты вращения вала у парового мотора его эффективный, относительные индикаторный и эффективный КПД увеличиваются только при условии, что частота вращения не превышает критического значения. Максимальные значения этих КПД достигаются при критической частоте вращения.

Паровой общественный транспорт.

Омнибус Хэнкока.

В 1833 году Вальтеру Хэнкоку удалось построить машину не только для себя, но и приносящую пользу людям. Его омнибус под  названием  Enterprise, принадлежащий  компании  London and Paddington Steam Carriage Co, курсировал от Лондонской стены до района Паддингтон. Паровое устройство омнибуса состояло из большого двухцилиндрового парового двигателя, который раскручивался до ста оборотов в минуту. В двигатель подавался пар из бойлера под  давлением в 6,1 бар.

Омнибус Хэнкока

Максимальную скорость омнибус мог развить до 32 км в час. Запаса хода у него хватало от 16 до 32 километров. Добиться преодоления такого огромного, по тем временам, расстояния позволяли дополнительные резервуары с водой расположенные под пассажирскими сиденьями. Для управления омнибусом нужно было три человека: один отвечал за ускорение и руление, второй за наличие воды в бройлере, а третий за поддержание в этих самих бройлерах нужной температуры и за включение ручного тормоза для контролирования скорости при спусках с холмов.

Омнибус Enterprise

За рулем омнибуса был сам изобретатель Хэнкок. Из-за плохих дорог у инженера от ударов об руль ужасно болели руки. И для того, что бы не держаться постоянно за руль  изобретатель придумал специальное устройство: на полу находилась педалька, при нажатии на которую руль фиксировался в одном положении. К такому метод Хэнкок прибегал на прямых участках дороги. Омнибус прекратил ездить по маршруту в 1840 году из-за все тех же плохих дорог и большой конкуренции со стороны извозчиков, которые использовали для перевозки людей лошадиную тягу.

Паровой омнибус доживший до наших дней

Готовы ли паровые машины к эпическому возвращению?

Когда-то давно господствовал паровой двигатель — сначала в поездах и тяжелых тракторах, как вы знаете, но в конечном итоге и в автомобилях. Сегодня это трудно понять, но на рубеже 20-го века более половины автомобилей в США работали на парах. Паровой двигатель был настолько усовершенствован, что в 1906 году паровая машина под названием «Ракета Стэнли» даже имела рекорд скорости на земле — опрометчивая скорость 127 миль в час!

Теперь вы можете подумать, что паровая машина имела успех только потому, что двигатели внутреннего сгорания (ДВС) еще не существовали, но на самом деле паровые машины и автомобили ДВС были разработаны одновременно. Поскольку у инженеров уже был 100-летний опыт работы с паровыми двигателями, у паровой машины был довольно большой старт. В то время как ручные коленчатые двигатели ломали руки несчастных операторов, к 1900 году паровые машины были уже полностью автоматизированы — и без сцепления или коробки передач (пар обеспечивает постоянное давление, в отличие от хода поршня ДВС), очень легким в управлении. Единственное предостережение, что вы должны были подождать несколько минут, чтобы котел нагрелся.

Однако через несколько коротких лет Генри Форд придет и все изменит. Хотя паровой двигатель технически превосходил ДВС, он не мог сравниться с ценой серийных Фордов. Производители паровых автомобилей пытались переключать передачи и продавать свои автомобили как премиальные, роскошные продукты, но к 1918 году Ford Model T был в шесть раз дешевле, чем Steanley Steamer (самая популярная паровая машина в то время). С появлением электродвигателя стартера в 1912 году и постоянным повышением эффективности ДВС прошло совсем немного времени, пока паровая машина исчезла с наших дорог.

Под давлением

В течение последних 90 лет паровые машины оставались на грани исчезновения, а гигантские звери выкатывались на показы старинных автомобилей, но не намного. Спокойно, однако, на заднем плане исследования незаметно продвигались вперед — отчасти из-за нашей зависимости от паровых турбин в производстве электроэнергии, а также потому, что некоторые люди считают, что паровые двигатели действительно могут превосходить двигатели внутреннего сгорания.

ДВС имеют внутренние недостатки: им требуется ископаемое топливо, они производят много загрязнений, и они шумные. Паровые двигатели, напротив, очень тихие, очень чистые и могут использовать практически любое топливо. Паровые двигатели благодаря постоянному давлению не требуют зацепления — вы получаете максимальный крутящий момент и ускорение мгновенно, в состоянии покоя. Для городского вождения, где остановка и запуск потребляют огромное количество ископаемого топлива, непрерывная мощность паровых двигателей может быть очень интересной.

Технологии прошли долгий путь и с 1920-х годов — в первую очередь, мы теперь мастера материалов . Оригинальным паровым машинам требовались огромные, тяжелые котлы, чтобы выдерживать жару и давление, и в результате даже небольшие паровые машины весили пару тонн. С современными материалами паровые машины могут быть такими же легкими, как их двоюродные братья. Добавьте современный конденсатор и какой-нибудь котел-испаритель, и вы сможете построить паровую машину с приличной эффективностью и временем прогрева, которое измеряется секундами, а не минутами.

Цикл Ранкина, на котором основан паровой двигатель Cyclone Technologies

В последние годы эти достижения объединились в некоторые захватывающие события. В 2009 году британская команда установила новый рекорд скорости ветра на паровой тяге в 148 миль в час, наконец, побив рекорд ракеты Стэнли, который стоял более 100 лет. В 1990-х годах подразделение Volkswagen R & D под названием Enginion заявило, что оно построило паровой двигатель, который был сопоставим по эффективности с ДВС, но с меньшими выбросами. В последние годы Cyclone Technologies утверждает, что она разработала паровой двигатель, который в два раза эффективнее, чем ДВС. На сегодняшний день, однако, ни один двигатель не нашел свой путь в коммерческом автомобиле.

Двигаясь вперед, маловероятно, что паровые машины когда-либо сядут с двигателя внутреннего сгорания, хотя бы из-за огромного импульса Big Oil. Однако однажды, когда мы наконец решим серьезно взглянуть на будущее личного транспорта, возможно, тихая, зеленая, скользящая грация энергии пара получит второй шанс.

Преимущества машины

Аппарат отличается способностью работать практически без ограничений, возможны перегрузки, имеется большой диапазон регулировки мощностных показателей. Следует добавить, что во время любой остановки паровой двигатель перестает работать, чего нельзя сказать про мотор.

В конструкции нет необходимости устанавливать коробку переключения скоростей, страртерное устройство, фильтр для очистки воздуха, карбюратор, турбонаддув. Кроме этого, система зажигания в упрощенном варианте, свеча только одна.

В завершении можно добавить, что производство таких машин и их эксплуатация будут обходиться дешевле, чем автомобили с двигателем внутреннего сгорания, так как топливо будет недорогим, материалы, применяемые в производстве – самыми дешевыми.

Паровой велосипед.

Сильвестр Говард Роупер в 1867 первый использовал двигатель внешнего сгорания на двухколесном транспорте. Так появился первый паровой велосипед Роупера, по сути первый мотоцикл. Двухцилиндровый паровой двигатель был размещен под сиденьем велосипеда весь механизм крепился к раме с помощью двух пружин. Пар выходил из трубы прямо за седлом, а вода поступала в котел из резервуара который являлся частью сиденья. Как ни странно, но управление ускорением осуществлялось так же как и на современных мотоциклах — с помощью ручки на руле: выкручивая ее от себя, водитель увеличивал скорость. Ну а при повороте ручки на себя активировались тормоза.

Велосипед Роупера

Паровой велосипед восхищал и заинтересовывал людей на различных выставках, тогда как в обычной жизни пешеходы пугались изобретения Сильвестра. В дальнейшем Роупер изобрел и модифицировал еще несколько вариантов паровых велосипедов. На одном из таких велосипедов талантливый инженер и погиб, катаясь по велотреку в американском Кембридже, получил не совместимую с жизнью травму головы.

Паровой велосипед

Первый личный паровой автотранспорт.

Создателем первого личного парового автотранспорта считается французский инженер Николя-Жозеф Кюньо. В 1769 году он создал трехколесную повозку  — “малую телегу Кюньо”. Недостатком телеги Кюньо был низкий запас хода. Так как повозка была оснащена не вечным двигателем и  без дозаправки могла проехать всего лишь около километра, затем экипажу приходилось останавливаться для  пополнения запасов воды и  разведения костра под котлом для увеличения давления. Весь этот процесс занимал столько же времени сколько и сама поездка. А максимальная скорость, которую набирала паровая телега была 4-4,5 километра в час. Но несмотря на такой черепаший ход высшим военным чинам Франции того времени телега понравилась. Наверное из-за огромной грузоподъемности: телега могла перевезти около двух тонн груза. Кюньо получил 20 тысяч франков на разработку и усовершенствование модели.

Телега Кюньо в разрезе

Благодаря этим инвестициям в 1770 году Кюньо представляет “телегу второго поколения”. Конструкция остается той же, но скорость уже в разы больше, около 5-7 км в час. Но главное усовершенствование заключалось в новой топке, которую не надо было разжигать каждые 15 минут.

Телега Кюньо

Во время первой презентации перед военными чинами произошел инцидент: у телеги заклинило переднее колесо и она протаранила стену ближайшего дома.  По результатам аварии были сделаны выводы, что конструкция телеги обладает приличным запасом прочности, так как из-за удара пострадал только котел.

Но после этой демонстрации работа над машиной была прекращена, так как покровительствующие инженеру военные начальники попали в немилость властей и финансовая поддержка прекратилась. Как ни странно, хоть телега и не вышла в тираж, но до наших дней она  сохранилась.

Первый личный паровой автотранспорт — телега Кюньо в музее