Паровая машина

Паровая машина — тепловой двигатель, имеющий внешнее сгорание и преобразующий энергию пара в механическую работу. В общем случае паровыми машинами называют механизмы с возвратно-поступательного движением поршня, хотя принцип преобразования энергии пара в работу используется в паровых турбинах и других, менее распространенных, типах паровых двигателей.

Паровая машина c горизонтальным расположением цилиндров

Поршневые паровые машины появились на рубеже XVII - XVIII веков, позже были усовершенствованы шотландским инженером Джеймсом Уаттом (англ. James Watt) и получили широкое распространение в качестве основного двигателя транспорта и механизмов. Выработанный внешним паровым котлом разогретый пар через золотник поступает в цилиндр и расширяется, давя на поршень и приводя его в движение. Поршень через шток, ползун (крейцкопф), шатун и кривошип приводит во вращение вал. Для создания момента инерции и возврата поршня в исходное состояние на валу расположен создающий инерцию маховик. Золотник подачи пара связан с выходным валом через эксцентрик и управляется через центробежный регулятор. Отработанный пар может выбрасываться во внешнюю среду или поступать в конденсатор и далее возвращаться в паровой котел.

Первым применил паровую машину для приведения в движения судна французский изобретатель Дени Папен (фр. Denis Papin), построивший в 1707 году колесную лодку. В 1807 году Роберт Фултон (англ. Robert Fulton) построил колесный пароход Clermont, который совершал регулярные коммерческие рейсы от Нью-Йорка до Олбани. Однако внедрение паровых машин на военных кораблях длительное время сдерживалось использованием легко уязвимых гребных колес, и лишь с появлением в 1838 году гребного винта паровая машина стала вытеснять парусное вооружение.

Конструкции паровых машин

Первыми паровыми машинами, которые получили широкое распространение, стали горизонтальные машины (англ. HSE). Цилиндр или цилиндры в них располагались горизонтально, роль маховика могли выполнять гребные колеса.

Сложный механизм передачи движения у первых паровых машин неоднократно усовершенствовался. У рычажной паровой машины (англ. grasshopper-engine) шатун через рычаг опирался на маховик, из за чего во время работы машина напоминала движение лап кузнечика. В США получили распространение траверсные паровые машины (англ. Crosshead Steam Engine). Цилиндр этих машин располагался над валом, поэтому они имели высокий центр тяжести и быстро вышли из применения. Схожую конструкцию и принцип действия имели балансирные паровые машины, у которых передача движения от поршня производится при помощи балансира.

Вертикальная паровая машина тройного расширения

Другой способ усовершенствования конструкции был использован в паровых машинах с горизонтально-возвратным шатуном. У таких машин шатун толкал коленчатый вал через траверсу. Для повышения эффективности использования энергии пара были разработаны машины двустороннего рабочего процесса с крейцкопфным кривошипно-шатунным механизмом. Другим вариантом повышения мощности являлась конструкция тронковой паровой машины, у которой поршень соединялся шатуном непосредственно с коленчатым валом. Помимо машин с кривошипно-шатунным механизмом, в судостроении также использовались паровые машины с качающимся цилиндром, у которых шток поршня крепился непосредственно к кривошипному механизму, а цилиндр мог раскачиваться во время работы, частично выполняя функцию кривошипа.

С ростом водоизмещения необходимость в использовании горизонтальных машин отпала, так как размеры корпуса позволяли устанавливать вертикальные паровые машины, имевшие большую высоту. Вертикальные машины были проще и эффективнее горизонтальных, благодаря чему они получили наибольшее распространение начиная со второй половины XIX века.

Кроме совершенствования механической части, производились изменения и в принципиальном устройстве паровых машин. В 1824 году Джеймс Аллер (англ. James Allaire) построил паровой двигатель, в котором пар сначала поступает в цилиндр высокого, а затем - низкого давления. Таким образом удалось добиться увеличенной эффективности работы пара, машины с последовательным расширением получили название "компаунд". Дальнейшим развитием машин "компаунд" стали машины тройного расширения, которые имели цилиндры высокого, среднего и низкого давлений.