Собственно, вопрос сводится к «а как это работает и не взрывается»? Для этого обратимся к книге В. Дробинского «Как устроен и работает паровоз», 1955 год. Далее все цитаты — из [...]]]> Тут уже много раз разбирали паровозы как любимую игрушку попаданца. Сейчас время заглянуть в топку, а точнее — поинтересоваться соединением топки и парового котла…

Собственно, вопрос сводится к «а как это работает и не взрывается»?
Для этого обратимся к книге В. Дробинского «Как устроен и работает паровоз», 1955 год. Далее все цитаты — из этой книги.
В реальности у каждой паровой машины топка и котел это единая конструкция. Разделены они только в учебных роликах и моделях паровиков, запускаемых от таблетки сухого спирта. Даже в паровике Джеймса Уатта это была единая конструкция, пусть даже объединенная кирпичной кладкой (проще говоря, оно и было кирпичной печкой). Но как делали топку на движущихся паровиках — на паровозах, пароходах и тому подобное?

На самом деле — ничего сверхъестественного не было. Вот иллюстрация из книги, для лучшего понимания я раскрасил — где вода, а где огонь.

А теперь читаем книгу «Во время работы котла все его стенки испытывают усилие  пара, измеряемое тысячами тонн. Только на стенки огневой коробки паровоза серии ФД, общая поверхность которой составляет примерно 300 см², действует сила превышающая 4500 т (при давлении пара 15 кг/см²). Эта сила почти в 18 раз больше веса самого паровоза серии ФД с тендером».
Тут надо сразу сказать — попаданцу не светят паровозы такого давления. Если получится раза в три меньше, то это будет чистая победа. Тем не менее, даже 3 атмосферы, как у первых паровозов это совсем немало.
И совсем неудивительно, что при плохом прокате стали (а, вообще, у попаданца прокат будет?) котлы любили взрываться. И ладно если сам котел, его можно сделать цилиндрической формы и стянуть дополнительными полосами (как все всегда и делали), но что делать с топкой?
Как мы видим — топка это часть котла, и ее форма отрабатывалась десятилетиями. К примеру — наклон свода подбирался по пол-градуса, как наклон конического плеча гильзы. Сложно было это без компьютера, смоделировать не получалось только методом тыка.

Тем не менее, как же получалось удерживать давление? Причем паровозы серии ФД это не вершина, были паровозы с давлением в несколько раз больше.

Обращаем внимание на лес черточек в верхней части. Это не просто черточки, это — жесткие связки.

Опять цитата «Связи, расположенные горизонтальными и вертикальными рядами, удалены друг от друга в среднем на расстояние около 100 мм. Всего на укрепление топки идёт более 2000 боковых и потолочных связей. Например, топка паровоза серии ФД имеет 2512 связей; из общий вес достигает 3.2 т»

Тут нас интересует то, что названо «контрольное отверстие».
Дело в том, что эти связи были жестко приварены электросваркой к стенкам топки (рассматриваемые паровозы начала 40-х годов). Ранее они, понятно расклепывались. Но с торцов связи было просверлено отверстие. Зачем? Если где-то жесткая связь ломалась (а ломалась она внутри котла и, как гооворит сопромат, у мест ее крепления), то через это отверстие начинал сочиться пар — и было видно, что жесткая связка внутри поломана.

Поэтому когда в фильмах показано, как в котле поднимают давление выше пределов, из котла выстреливают заклепки и начинают бить струи пара… то это НЕ заклепки. И они не разлетаются, поражая все живое.
Я, вообще, плохо представляю какое должно быть давление, чтобы выдавило крошечную заклепку и при этом не разорвало сам котел. Это же паровоз, а не второй контур атомной станции.
Все проще — жесткая связь внутри ломается, стенка топки хоть и выгибается, но заметить это без инструментальных методов невозможно. А вот струйка пара сигнализирует — связки рвутся, скоро все взлетит.

Но если попаданцу мало трудностей, то напомню — топка штука теплонагруженная и что хуже всего, теплонагруженная неравномерно. То есть металл топки расширяется от температуры неравномерно и каждый раз в других местах. В зависимости от кучи условий какие-то жесткие связи могут быть не нагруженные совсем, а каким-то придется держать давление за всех одновременно.

Что делать в таком случае? Делать не жесткую, а подвижную связь.
Тут уже задача посложнее. Тут один конец делают с шарообразным утолщением, на лист приваривают втулку с резьбой, которая закрывается резьбовым колпачком. Если посмотреть на реальную топку, то это выглядит как ряды болтов на пустом месте. Но эти болты не держат конструкцию внутри топки, а просто закрывают крепление подвижной связи. Даже не представляю — требуют ли они ухода или состоянием подвижной связи не интересуются.

Ну как, легко ли сделать паровоз? Легко? Тогда как вишенку на торте, могу добавить — в котле есть еще третий тип связей, «тяжами». Их используют в углах огневой коробки и прочих неудобных местах.
«Тяж одним концом прикрепляется к потолку кожуха топки, а другим, имеющим форму вилки, соединяется с угольником на лобовом листе».

Поэтому совет попаданцу: прежде чем мастерить паровоз или пароход, проверьте — не магический ли мир? Если магический, то пробуйте, а вдруг гномы что дошаманят. Если нет — не пытайтесь!

Хорошо известный по повседневному опыту факт — горячее тело отдает тепло холодному. Простейший случай — прохождение тепла [...]]]> При обсуждении простейших пароходов быстро всплывает проблема котла. Он должен быть ОЧЕНЬ большим. На первых пароходах с их скромными скоростями в 5-7 узлов паровая машина занимала треть судна, в основном за счет котла. Почему? Короткий ответ — теплопроводность.

Хорошо известный по повседневному опыту факт — горячее тело отдает тепло холодному. Простейший случай — прохождение тепла через пластину, на разных сторонах которой поддерживается разная температура. Скорость передачи тепла прямо пропорциональна площади пластины, разнице температур на ее сторонах, способности ее материала проводить тепло и обратно пропорциональна ее толщине. Попросту говоря большая пластина из тонкого металла пропустит больше тепла чем маленькая, но толстая, деревянная; при увеличении разницы температур тепловой поток усилится, при уменьшении ослабнет.

Разные материалы по разному проводят тепло, именно потому инкубатор окружают слоем опилок, а не чугунной стенкой. Чем толще слой, тем меньше теплопотери, именно поэтому стенки металлургических печей такие толстые. В этих случаях нам хочется уменьшить поток тепла, в котле же нам надо максимально увеличить теплопередачу.

Во времена Уатта использовалось простое правило — квадратный ярд котла на лошадиную силу паровой машины. При типичном КПД порядка 5 процентов это примерно 5 киловатт тепла с квадратного метра. Несложно прикинуть что если попаданец не сможет изготовить котел из сотен труб и будет вынужден довольствоваться обычным цилиндрическим, то его размеры будут быстро увеличиваться. Скажем цилиндрический котел с диаметром в 4 метра и длиной в 8 метров будет вмещать одной воды под сотню тонн, при этом выдавать пара всего на 90 лошадиных сил.

Может ли попаданец улучшить эту цифру?

Простейший способ увеличить количество пара с котла — просто поместить его в большую топку. Перепад температуры между кипящей водой и топочными газами составит сотни градусов и теплообмен резко усилится. Проблема в том что тепло будет не успевать переходить от пламени к воде. Из трубы будет идти очень горячий воздух, унося с собой большую часть тепловой энергии и КПД котла и всей паровой машины резко упадет.

Если мы не можем увеличить площадь котла, мы можем попробовать применить более тонкие листы или металл который лучше проводит тепло. Но обычное железо даже при сантиметровой толщине пропускает через себя 10 кВт тепла(в два раза больше!) на квадратный метр уже при ничтожном перепаде температуры в один градус. Поэтому уменьшение толщины стенок или использование меди практически не изменит ситуацию. Вода обладает небольшой теплопроводностью, но при закипании ее активно перемешивает возникающий пар, поэтому теплопроводность воды также не является узким местом. Проблема котла лежит в низкой теплопроводности воздуха, а с ней попаданец ничего не может поделать.

Проблема размеров котла решается при увеличении давления в нем. Дело в том что большая часть энергии в паровой машине уходит на нагрев воды до 100 градусов(320 кДж на кг если греть 20 градусную воду) и превращение ее в пар(2260 кДж на кг). Эти затраты позволят нам получить пар с атмосферным давлением. На то, чтобы удвоить давление пара надо потратить всего 40 кДж. Потратив на полтора процента больше тепла мы увеличим совершаемую паром работу на 75 процентов! Если нам нужно меньше пара для той же мощности, то мы можем обойтись котлом поменьше. Но для этого нам придется увеличить температуру пара, что сразу создаст проблему с примитивными прокладками из пеньки и смазкой из органического масла. Применение больших давлений потребовало улучшения технологии, которого удалось добиться лишь к началу второй трети девятнадцатого века.

На этом моменте обычно вспоминают про чудесный прямоточный котел. Вот как выглядит типичное попаданческое решение.

В свое время, когда я еще не был уверен, что отправлюсь в прошлое, но вполне допускал такой вариант, я познакомился с одним живущим в соседнем доме пенсионером, увлекающимся историей парового флота. Когда я сказал ему, что на технологиях середины девятнадцатого века можно создать котел с давлением в пятьдесят атмосфер, он долго смеялся, а потом объяснил мне, что тогда даже пять были недостижимой мечтой, а двадцатиатмосферный рубеж с трудом преодолели к первой мировой, да и то далеко не все. Так как свободного времени у меня было до фига, а, кроме того, хотелось проверить кое-какие мысли, то я предложил ему пари, что сделаю такой котел, причем максимум за неделю и из подручных материалов, используя свой настольный станок «Универсал».

И действительно сделал, причем довольно просто. Ведь прямоточный котел представляет из себя всего лишь змеевик, нагреваемый пламенем горелки. Вода подается в него под давлением, и, согласно проходимой еще в средней школе физике, под точно таким же давлением с противоположного конца трубки свищет пар. И от конструктора требуется только подобрать такую трубку, которая выдержит заданное давление.

Насос я сделал очень просто, в виде толстостенного вертикального цилиндра. В него заливалась вода, а сверху под давлением подавался углекислый газ из баллона. Затем намотал из толстостенной медной трубки трехслойную спираль, теплоизолировал ее асбестом, просунул внутрь сопло паяльной лампы и пригласил соседа на испытания. Пока не кончилась вода в цилиндре-насосе, мое устройство исправно гнало пар под давлением в семьдесят атмосфер.

Что интересно, сосед обиделся. Как же так, в авторитетных источниках написано одно, а тут какой-то с трудом закончивший заочный институт самоучка все делает не так, то есть неправильно, но оно у него почему-то работает!

Человек просто не учел масштабного фактора. Ибо то, что невозможно для мощности в десятки тысяч лошадиных сил, может оказаться вполне работающим на просто десятках, без тысяч. Но на малых кораблях в основном используются дизели, поэтому такая схема и не получила распространения. Однако на «Чайке» у нас стояли примерно такие котлы, только с более сложными водяными насосами и конденсаторами отработанного пара. «Эмигранты», Величко А. Ф.

Внимательному читателю уже понятно в чем тут дело. Описанная конструкция вполне реальна, проблема лишь в том что она не улавливает большую часть тепла пламени паяльной лампы и КПД такого котла смехотворно мал. К тому же речь идет о очень небольшой мощности. Котел способный обеспечить работу паровой машины в десяток лошадиных сил выдавал бы порядка 40-50 литров пара в секунду и быстро превратил бы комнату в сауну. Прямоточность не решает проблемы низкой теплопроводности воздуха, так неохотно отдающего энергию стенкам котла.

Каковы его преимущества? Такой котел может быть устроен относительно просто — несколько спиралей из гнутых труб, такую конструкцию любили ставить на паровые автомобили. В более сложной конструкции поток топочных газов идет противотоком относительно воды. Это позволяет чуть улучшить КПД котла. Такой котел можно очень быстро приготовить к работе — лучшие автомобильные разогревались за полминуты. Плюс, в таком котле решаются проблемы связанные с эффектом Лейденфроста — при увеличении температуры стенок, между ними и водой может образовываться паровая рубашка, замедляющая теплообмен(в попаданческих котлах низкого давления такой проблемы не возникнет).

Эти достаточно скромные достоинства прямоточного котла плохо компенсируют его недостатки. Такой котел капризен к чистоте воды — ведь вода окончательно превращается в пар на небольшом участке и все примеси выпадают на стенки именно там. Он куда капризней к постоянству режима — колебания в количестве воды и тепла приведут к скачкам давления или перегреву стенок.

Так что легко доступного попаданцу способа уменьшить размеры котла просто не существует.

Двигатель Стирлинга был изобретен в 1816 году преподобным Робертом Стирлингом. Главная цель изобретения — удалить несовершенные машины с угольных шахт, где они откачивали [...]]]> Сейчас начали вспоминать двигатель Стирлинга. Дескать у него и экономичность и экологичность, да и вообще — название красивое.
Давайте, что ли, и мы вспомним, чтобы расставить хотя бы часть точек над «i»…

Двигатель Стирлинга был изобретен в 1816 году преподобным Робертом Стирлингом.
Главная цель изобретения — удалить несовершенные машины с угольных шахт, где они откачивали воду. Классические машины требуют парового котла, который по тем временам часто взрывался и Стирлинг поставил задачу — изобрести машину без высокого давления. Ему это удалось.

Рассмотрим классический стирлинг бета-типа, он самый простой.
На схеме красным обозначена часть, которая нагревается от внешнего источника (приятно, что любого), синим цветом — часть, охлаждаемая воздухом, радиатор.

Любой стирлинг работает именно на этой разнице температур.
В нижней части под нижним поршнем воздух нагревается и от этого расширяется — и толкает поршень вверх.
В процессе подъема воздух просачивается между поршнем и стенками в верхнюю полость, где радиатор его охлаждает. При этом воздух сверху сжимается из-за охлаждения и опять идет вниз, чтобы начать новый такт.

Двигатель стирлинга работает именно на том, что воздух в одном месте конструкции разогревается и расширяется, а в другом охлаждается и сжимается. Естественно, вариаций такой схемы — вагон и маленькая тележка.
Рабочее тело — воздух в цилиндрах и это рабочее тело не расходуется. Стирлинг не впускает ничего снаружи и ничего в атмосферу не выпускает. А так, как внутри цилиндров не происходит вспышки или детонации, а давление слабое — то работает он почти бесшумно (IMHO, это основное преимущество стирлинга). А бесшумность и низкие обороты дают фантастическую долговечность. Ну прямо одни плюсы в конструкции! Ну что ж, идем дальше.

Мы показали самый простой стирлинг, без регенератора и со щелями вокруг поршня, нам он вряд ли пригоден. У него совсем низкая мощность и не ахти какое КПД.
Давайте посмотрим на стирлинг с регенератором. Регенератор — это на картинке такая штуковина слева, через которую идет газ.
По теории регенератор — это полость, заполненная каким-либо «пористым материалом». На практике там внутри могут быть просто металлические ребра или даже проволока, свернутая в катушку. Регенератор не должен слишком хорошо проводить тепло. Он должен остужать горячий газ, когда он проходит через него и нагревать холодный газ, когда тот возвращается через регенератор.
Без него не будет ни мощности, ни КПД. И его расчет — это первый квест, который достанется попаданцу. То есть расчета и не будет (потому что попаданец не сможет получить входные данные), будет многомесячный подбор количества витков или ребер.

Но это только цветочки. За ними идут ягодки.
Дело в том, что машина Стирлинга подозрительно напоминает машину Ньюкомба с орошением холодной водой цилиндра. Отличия есть — во времена Стирлинга смогли сделать такие точные детали, как поршень с цилиндром, ну то есть чтобы в щель между ними палец не пролазил. Поэтому если вы решили построить двигатель стирлинга до классического паровика — будьте готовы решать проблемы, описанные в статье борьба за точность. Но помните — та точность подгонки деталей, которая годилась для паровика, не годится для стирлинга. Потому что кривой паровик все равно выпустит пар и пойдет за следующей порцией, а стирлинг ничего в атмосферу выпускать не должен.

Однако, именно на поле точности у попаданца есть шансы построить стирлинг.
Дело в том, что поршни первых паровиков были очень большого диаметра, около метра. Со стирлингом такая штука не получится и цилиндр стирлинга будет куда меньшего диаметра и, соответственно, точность обеспечить много-много проще.

Почему же цилиндр поршня будет меньше?
А потому, что теплопередача стирлинга идет через стенки цилиндра. И нагревают именно стенки, ожидая, что тепло передастся газу.
Однако, так получилось, что наш мир трехмерен, и если мы возьмем емкость и линейно увеличим ее размеры, то ее объем вырастет в третьей степени, а ее поверхность — только во второй. То есть при увеличении размеров объем растет гораздо быстрее, чем площадь поверхности. Именно поэтому ванна остывает куда медленнее, чем чайник. В случае со стирлингом это ведет к тому, что газ внутри цилиндра начинает прогреваться куда медленнее и количество оборотов падает катастрофически. При этом введение всяких ребер не даст нужного эффекта, потому что в системе образуется газ, собранный в «складках местности», который не участвует в работе.

Ну хорошо, будем строить небольшой стирлинг. А почему, собственно, первые паровики строили такими большими? Зачем требовался цилиндр в 70 см диаметра? Тут вопрос с том, что давление в котле первых паровых машин было очень мало и чтобы обеспечить мощность, приходилось делать поршни большой площади. Понятно, что такой путь для стирлинга закрыт.

Конечно, есть второй путь — повышение давления. Именно по этому пути пошло развитие паровых машин.
Как на эту тему в стирлинге? Да так же, как со всем остальным. Повышение давления требует повышения температуры. А резкое повышение температуры требует использование специальных жаропрочных сталей, с которыми сейчас экспериментируют. Ведь теплопередача идет через металл и наружную сторону приходится раскалять до белого каления. Но были ли доступны такие стали во времена до технологической революции? Ответ найдете сами.
Я не говорю, что со стирлинга нельзя снять неплохую мощность, сейчас это удалось. При использовании водорода, электрического нагрева и давления 200 атмосфер. Проще сразу реактивный двигатель строить.

Итак, с мощностью у стирлинга не вышло. А как с другими параметрами?
Давайте посмотрим на количество оборотов за минуту. Вы у какого-нибудь стирлинга видели регулятор оборотов? Нет?
А потому, что он не нужен. Стирлинг нельзя раскочегарить до сотен оборотов в минуту (я не беру водородный высокого давления), более того — у стирлинга вообще очень узкий диапазон оборотов, заданных конструкцией. Быстрее крутится он не будет — теплопередача в металле тормозит, а меньше оборотов можно добиться только уменьшением нагрева — то есть уменьшением давления в цилиндре — то есть уменьшением мощности — вплоть до полной остановки. Это я к тому, что если вы решили поставить стирлинг на авто, то потребуется коробка передач и сцепление. Конечно, при той копеечной мощности можно замутить вариатор, как на скутерах.. В 18 веке, ага.
Сейчас количество оборотов регулируется введением дополнительной буферной емкости для газа, но представьте «простоту» этой конструкции! Ведь вся проблема не сделать саму емкость и даже не вентиль к ней. Она должна подключаться и отключаться в определенном такта работы, то есть вентиль должен быть механически связан с маховиком.

И одна из главных проблем стирлинга — обороты будут низкими. И что мы будем делать с низкими оборотами?
Можно поставить повышающий редуктор. Мы не будем вспоминать о сложность этой задачи до эпохи паровых машин.
Вопрос в другом — такой редуктор заметно снижает крутящий момент, поэтому если вы хотите сделать что-то типа гоночного автомобиля, то он не разгонится, воздух помешает.

Итак, куда можно поставить стирлинг?

На паровоз? Не хватит крутящего момента сдвинуть с места состав. А если и построить легкую мотодрезину, то как регулировать ее скорость? Втыкать буферную газовую емкость? А место на дрезине будет? Стирлинг вообще отличается удивительно большой материалоемкостью даже среди двигателей внешнего сгорания, а тут еще и дополнительные устройства.

На автомобиль? А попаданец сможет построить вариатор до появления резьбового соединения и соответствующих токарных станков? Я очень хочу увидеть этот девайс!

На пароход? Кому нужен винт, что будет вращаться с мощностью в три лошадиные силы и скоростью меньше ста оборотов в минуту? Конечно, эти обороты — как раз обороты вращения гребного колеса, но гребное колесо — это рычаг, и чтобы его провернуть требуется немалый крутящий момент, даже поболее чем у винта. Конечно, можно построить гребное колесо сантиметров 60 в диаметре, но опять-таки очень хочу это увидеть!

На водяной насос? Да! Это его место! Там не надо ни высокой мощности, ни больших оборотов. Более того — необходимо очень долго держать постоянные обороты, а стирлинг в разнос не пойдет никогда. Самое оно!
И напомню — насосы нужны не только на шахтах. Насос, к примеру, работает в классическом холодильнике..

На электростанцию? Можно попробовать. С одной стороны — постоянные обороты. Если правильно подойти, то можно построить линейный генератор, который будет выдавать переменный ток заданной частоты. Стирлинг умеет держать обороты! Но с другой стороны — малая мощность. То есть если вам нужно электричество питать электролампочку и рентгеновский аппарат, ну и плюс зарядить мобилку — годится. А если требуется получать карбид кальция или алюминий — забудьте.

Крутить токарный станок? Да, годится. Только надо не забывать на каждый станок поставить свой стирлинг, ну и без редукторов тут не обойтись. Но если станок получился — на нем можно делать требуемые детали и повышать эффективность.

КПД стирлинга получается порядка 15-18%. Он не настолько высок, как следовало бы ожидать из-за того, что теплопередача идет черех стенку.
Как для паровика, это много.
Однако, использовать его можно только там, где нужно маломощный двигатель (маломощный, но не малоразмерный!). То есть там, где бы сейчас поставили электродвигатель.

В двигателе Стирлинга много подводных камней. Вот как выглядит реализация кинематической схемы, показанной выше.
И это — самая эффективная схема. Я сомневаюсь, что попаданец будет возиться с двумя валами, скорее всего обойдется классическим кривошипом и маховиком. Соосность будет хуже и достаточно быстро стирлинг начнет выпускать воздух, но разве это кого-то остановит?

Остальные схемы я приводить не буду — они сложнее. Хотя если вся технологическая база уже работает (читай «паровые машины в расцвете»), то и другие модели можно построить, стирлинги реально проще паровиков. И много безопасней. И поэтому дешевле. Вот только паровик стирлингу не заменить…

Однако, у промышленности есть свои требования. И не зря в 1784 году Джеймс Уатт после получения патента на паровую машину оформил патент на [...]]]> Современный попаданец — это, как правило, работающий в информационных технологиях, а не в промышленности (а кто сейчас у нас в промышленности работает?). Поэтому на свои изобретения он смотрит с точки зрения потребителя.

Однако, у промышленности есть свои требования.
И не зря в 1784 году Джеймс Уатт после получения патента на паровую машину оформил патент на паровой молот…

Вообще специализацию «молотобоец» придумали очень и очень давно. Молотобоец — это не кузнец, это человек для грубой работы. Если кто не видел, то это произходит так: кузнец держит заготовку и легким молотком бьет туда, куда должен ударить молот в руках молотобойца. Поэтому звук работающей кузницы не монотонен, он звучит «дзынь-бум, дзынь-бум, дзынь-бум…».
Но сила удара молотобойца имеет свои пределы. Самые большие кувалды весили до 12 кг. Достаточно, чтобы выковать сравнительно небольшую деталь, но что делать с большими?

В средние века очень широко применялся кулачковый молот с приводом от водяного колеса. Колесо оттягивало хвостовик молота и дальше он падал под своей тяжестью. Первые такие механизмы появились в 13 веке и к 16 веку были вполне обыденными.
Но недостатков у кулачкового молота немало.

Чем больше заготовка — тем меньше высота свободного падения молота и тем меньше сила (хотя как раз для больших заготовок требуется более сильный удар). Кроме того — молот падал не вертикально, а по дуге и плоскости молота и наковальни оказывались параллельными только при определенной высоте детали. Ну и быстродействие было невелико — большая деталь успевала остыть и ее нужно было нагревать опять.

Примерно такую же конструкцию запатеновал Уатт, только вместо водяного колеса подставил паровую машину. Но изобретение не пошло — недостатки были те же, что у кулачкового молота, но еще добавилась дороговизна.

Проблема тянулась аж до 1837 года, когда Несмиту не понадобилось выковать вал парохода диаметром 750 мм.
Существующими на тот момент методами это нельзя было сделать в принципе.
Несмит сделал очевидное — он не стал превращать поступательное движение во вращательное, как было в молоте Уатта.
Он просто поставил паровой цилиндр, который поднимал сам молот в вверх.

Первые молоты давлением пара только поднимались, но очень скоро они стали двойного действия — сила удара увеличивалась давлением пара. Самое интересное, что регулирую давление пара в цилиндре, можно было регулировать силу удара — сам Несмит демонстрировал, как разбить молотом сырое яйцо, вставленное в хрустальную рюмку, чтобы рюмка осталась цела.

Такие молоты строили просто колоссальных размеров.
Любуемся 50-тонным молотом высотой 9.7 метра, который сейчас украшает французский город Ле-Крезо.
Если кто не заметил — внизу фотографии можно увидеть человека, чтобы был понятен масштаб сооружения.

Паровой молот для попаданца — это девайс из серии «маст хэв». Ни железный корабль, ни железную дорогу нельзя сделать только усилиями кузнецов, какими бы квалифицированными они не были. Нужны другие технологии. Паровой молот — это одна из таких прорывных технологий.

Во-первых, нужно выяснить для чего ее применять. Основные применения — это стационарная машина как привод для станков или электрогенераторов, машина на паровозе и машина на пароходе.

Паровоз можно отметать сразу. Для него нужны [...]]]> Итак, попаданец отлично обосновался в древности и у него появился настырный зуд построить паровую машину. Что конкретно нужно иметь, чтобы ее построить?…

Во-первых, нужно выяснить для чего ее применять. Основные применения — это стационарная машина как привод для станков или электрогенераторов, машина на паровозе и машина на пароходе.

Паровоз можно отметать сразу. Для него нужны железные дороги, а рельсы нельзя делать из чугуна — они лопаются под весом вагонов, рельсы должны быть стальными. А стальные рельсы — это развитая металлургия, которая не только умеет переделывать чугун на сталь в больших количествах, но и может эту сталь прокатывать. Производство рельс процесс непростой сам по себе, но в данном случае он должен быть еще и чрезвычайно массовым.

Паровая машина на производстве выглядит куда более привлекательной. Но какое именно производство попаданец собрался механизировать? Те станки, что будут у него в наличии, вполне можно вращать водяным колесом. Вопрос о паровике встанет только тогда, когда производство разрастется и мощности воды не хватит. Но, конечно, после обкатки паровика ему самое место на фабрике.

Еще более привлекательным выглядит паровая машина-генератор электричества. Ведь в отличие от современных ГЭС, в те времена тянуть линию ЛЭП к потребителю куда сложнее. Конечно, ГЭС никто не отменял (они до сих пор самые эффективные), но паро-генератор можно отложить чуть на потом, а пока мастерить гидроэлектростанцию.

А последнее применение в виде парохода — оно не просто самое привлекательное. Оно привлекательно именно с военной точки зрения. Ведь просто на каравеллу паровик поставить затруднительно — он займет все подпалубное пространство, да плюс еще и уголь возить где-то надо. В свое время на броненосцах во время дальних походов наваливали уголь везде, включая на палубе. Кроме того — на пароходе обязательно нужно паровая машина с конденсатором пара, иначе количество пресной воды не борту должно быть не меньше количества угля. А это — конкретное усложнение конструкции.

Но при этом паровая машина на корабле дает в бою 100 очков просто паруснику. Она не теряет ветер и позволяет зайти с самой неудобной стороны для противника. А в случае необходимости — уйти от преследования, тут несчастные 20 лошадиных сил дадут кумулятивный эффект.

Итак — для попаданца если и нужна паровая машина, то это должен быть компаунд двойного действия с конденсатором отработанного пара. Компаунд — чтобы мощность и КПД были хоть какие-нибудь.

Ну что же, приступаем.
Сначала нам нужно рассчитать машину хотя бы в общем. То есть посчитать какое количество пара в час будет выдавать котел и какого давления. Под это все должна быть рассчитана топка. Если мощность топки окажется недостаточной, то котел вообще не удастся раскочегарить до требуемого давления, а если удастся — то после нескольких оборотов он это давление потеряет и следующий оборот машина сможет совершить только через несколько минут. Если же перестараться и котел будет мелким, а топка слишком большой — то уголь будет вылетать в трубу, а котел перегреваться и постоянно стравливать пар через предохранительный клапан.

Соответственно, в зависимости от количества пара необходимо рассчитать параметры поршней, их ход и диаметры цилиндров.
К этому примыкает вопрос расчета кривошипно-шатунного механизма. То есть — диаметр маховика, и размер эксцентрика для золотника паровой машины. Следует так же учесть, что паропроводы, идущие к золотнику, должны быть рассчитаны по диаметру, исходя из давления пара и его весового количества.

Вот пусть программисты-попаданцы, положа руку на сердце, честно признаются — кто из них в состоянии это рассчитать? Потому как Ньюкомб и тем более Уатт это делали легко. Мне очень хочется увидеть, как современный офисный работник строит индикаторные диаграммы паровой машины и рассчитывает углы опережения золотника!

Итак, расчеты произведены. Задача непростая, но мы справились. Мы даже построили котел и выяснили, какое давление он выдержит — ну чтобы расчеты остального не были с потолка, здесь без натурного эксперимента никак.

Теперь посмотрим, что должно быть у нас для начала производства машины.
Во-первых, должна быть достаточно развита металлургия. И не столько потому, что машина без нее окажется безумно дорогой, а потому, чтобы большое количество стали оказалось одинакового качества. Иначе тот же маховик придется отливать из сталей нескольких случайных выплавок со всеми вытекающими. Я уже молчу о котле из листов разного металла. Листы и заклепки должны быть четко подобраны по твердости, чтобы во время работы заклепки не посрезало.

Во-вторых — обязательно должно быть доступно резьбовое соединение.
То есть — должен быть в наличии токарный станок с суппортом для точного нарезания резьбы.
Заклепки хороши для котла, там усилие идет поперек заклепки. Но соединять фланцы труб заклепками невозможно — там усилие вдоль заклепки. В лучшем случае — начинает пропускать пар под давлением, в худшем — заклепки вылетают и пар вместо в цилиндры идет к кочегарам.
Да и многие вещи без резьбы реализовать слабо возможно — хотя бы тот эксцентрик для золотника.
Недаром именно постройка паровых машин дала толчок для резьбонарезных станков.
Также хорошо озаботится сверлильным станком, ведь котлы будут собираться заклепками, а под них нужно сверлить дырки в толстых металлических листах, да еще и изогнутых.

Итак, это все мы решили, следующий этап — обеспечение точности.
В паровой машине множество точно пригнаных деталей. Главная — паровые цилиндры. Зазор в цилиндре — это мощность и КПД.
А еще есть такие детали, как центробежный регулятор оборотов, вентили для регулировки количества пара, да и в конце концов шкворневые соединения для кривошипа, чтобы они не разбились после двадцати минут работы. Иначе зачем нужна машина, которая впустую стравливает пар и после сотни оборотов клинит?

Ну что же, это все есть и можно приступать к постройке.
Тут возникает куча технических моментов и затыков.
Некоторые еще помнятся — например, нужно перед паровым цилиндром ставить еще один — чтобы направлять движение поршня, иначе поршень не ходит абсолютно линейно и быстро разбивается. Такой дополнительный цилиндр называется ползун и без него машин не строили.
Но 99% проблем паровиков сейчас и не вспомнить. А проблемы там обязательно будут — например, как делать клапан, чтобы доливать воду в котел? Там ведь давление и не станешь же каждые 20 минут останавливать машину и доливать воды! А как определить, сколько воды осталось в котле? Все ли знают устройство водомерных трубок, если из текущего поколения никто их не то, что в глаза не видел, а и не слышал о таком?
А из чего и как правильно делать набивку сальника для поршня паровой машины, в том месте, где он выходит из цилиндра? Ведь там, с одной стороны, должно быть герметизация (чтобы не выпускать пар), а с другой стороны — он постоянно движется и трется. А ведь температура в цилиндре будет не меньше 200 градусов!

И, кстати, проблемы с температурами. Часть машины будет горячей, а часть холодной. Как рассчитать тепловые расширения?
Ведь тот же цилиндр будет состоять из разных частей и наружные окажутся достаточно холодными, напряжения в них следует учесть.
Не покоробится ли золотник при высокой температуре?
Как правильно построить систему смазки и какие части машины наиболее чувствительны к трению?
Насколько удастся сделать отделение масла от отработанного пара в конденсаторе, без него же пароход не поплывет!

А уж вопросы эксплуатации — это вообще сказка! Обученного персонала не найти и очень важна «защита от дурака». Какие именно узлы особенно ее требуют и как ее конструктивно осуществить? Где вообще узкие места в надежности машины?
Знает ли современный попаданец методику запуска и остановки паровой машины? Или вы думаете, что паровику прогрев не нужен?
А что обозначают стуки в паровых цилиндрах и клацание в золотниках?
И что бывает, когда вода вместо пара попадет в цилиндр?
Как устранить резонанс при вращении маховика?
Что делать при срыве вакуума в конденсаторе пара?
Да там только с фундаментом для машины образуется воз и маленькая тележка проблем!

Вы еще хотите строить в древности паровую машину? Тогда мы идем к вам!

На первый взгляд ничего сложного в золотнике нет, принцип действия отлично виден на картинке — но, как [...]]]> Золотник — это механизм, позволяющий подавать пар попеременно на разные стороны поршня. Паровая машина с подобной конструкцией называется «машиной двойного действия», а учитывая то, что машины одинарного действия почти никто и не строил, то следует рассмотреть золотник поподробнее.

На первый взгляд ничего сложного в золотнике нет, принцип действия отлично виден на картинке — но, как всегда, это только на первый взгляд…

Чаще всего золотник выглядел как П-образный элемент коробчатый элемент, поочередно перекрывающий два отверстия пароподачи. Это схема золотника не единственная, но, вероятно, самая популярная из-за простоты реализации.

Такая схема не без недостатков. Так как давление над золотником высокое, а под ним низкое, то его сильно прижимает к поверхности. Из-за этого золотник изнашивается и, кроме того, усилие на его передвижение тоже тратится немалое.

Но это же прижимное усилие не дает пару просачиваться в атмосферу, что есть хорошо. Кроме того — изнашивание не дает щели, золотник притирается самостоятельно. Да и для реализации этой конструкции достаточно поставить  эксцентрик на ось маховика паровой машины и протянуть оттуда тягу.

При этом,  похоже, экцентрик становится деталью, чуть ли не более сложной в изготовлении, чем сам золотник. Просто потому, что эксцентрик надо выточить на токарном станке, причем центры отверстий не совпадают (потому как эксцентрик же!). Выглядит он так:

Но вернемся к золотникам.
Кроме простого коробчатого были и другие типы золотников — цилиндрический и крановый.

Но эти схемы получились нишевыми. Цилиндрический золотник так не изнашивался, но требовал куда более высокой точности изготовление, да и стравливать пар мог. Чтобы этого не происходило, на поршни цилиндрического золотника делали специальные кольца, очень напоминающие поршневые кольца ДВС. А это — уже совсем другой уровень технологий, можно уже и за бензиновый движок браться.

Крановый же золотник имеет те же недостатки, что и коробчатый (сильный прижим), но ему еще надо преобразовать поступательное движение во вращательное, да плюс нагрузка на ось (которую еще и смазывать надо).

Однако, возникает вопрос в расчете золотниковой системы.
Вот мы хотим сделать простейший коробчатый золотник. Вроде все просто — есть расстояние между отверстиями пароподачи и достаточно сделать коробку чуть больше этих отверстий и размер эксцентрика на оси маховика сделать в половину расстояния между отверстиями пароподачи. Но в реальности так не делают. Причина — мертвые точки паровой машины. На малых оборотах вполне может получится так, что золотник уйдет в крайнее положение, а маховик не сможет чуть-чуть поршень «довернуть». Особенно это весело на старте, когда у нас паровоз должен с нуля оборотов сдвинуть состав.

Конечно, можно эксцентрик повернуть относительно кривошипа поршня, чтобы в крайнем положении парового поршня золотник уже открылся и начал подавать пар. Такое себе «опережение зажигания». Но не забываем, что паровая машина часто стояла на пароходах и паровозах — а там требуется давать задний ход. Конструкция эксцентрика скачком усложняется, а еще требуется вывести управляющие элементы!
Однако, именно так и делали. И усложняли и выводили.
Но этого оказалось мало.

При малой степени сжатия и больших оборотах паровика (для которых требуется большой угол опережения) пришлось сделать золотник, у которого есть положение, когда оба паропровода открыты:

Но и этоспасло только в определенных случаях.
Тогда стали делать золотники, которые смещены относительно центра между отверстиями паропровода. Но представили, как должна выглядеть система заднего хода, если она должна сместить золотник в другую сторону?

Кроме того — крутящий момент распределяется неравномерно. Когда пар толкает поршень в полную силу, а когда только чуть.
В машине с ДВС это решено, во-первых большим количеством цилиндров, а во-вторых — впрыскиванием топлива несколько раз в момент одной вспышки. Думаете, это только в последние годы придумали? Тогда смотрим на такой вот золотник паровой машины:

Думаете, и это все? А вот никак нет! Если на ДВС строят системы регулирование фаз распределения и подъема клапанов, то в случае паровой машины — двойной золотник:

Как видно из схемы, части двойного золотника должны двигаться в противоположном направлении относительно друг друга. Более того — их фазы не совпадают и поэтому пришлось ставить два эксцентрика (про задний ход помним?).
Как ни странно это звучит, но именно схема с двойным золотником была очень популярна. А чтобы окончательно представить себе что это за чудо, я приведу чертеж именно такой рабочей схемы:

Здесь рассмотрена наиболее простая схема пароподачи. А ведь на паровозах времен Второй Мировой были использованы куда более прогрессивные схемы — с пароподачей клапанами. А там и принудительные схемы парораспределения с переменной степенью наполнения (качающимися кулаками, катящимся рычагом или расцепным механизмом), да и гидравлическое управление органами парораспределения подоспело…

Поэтому воспринимайте чертеж с двойным золотником как совсем-совсем простой. Иначе из паровика ни мощности, ни крутящего момента добыть не выйдет.

На самом деле говорить, что паровые машины отличаются топками неверно. Они отличаются котлами, просто очень часто топка и котел это конструктивно [...]]]> Паровая машина — вещь непростая. И ее конструкция только для кочегара выглядит как всегда. С той стороны лопаты ее устройство может быть очень даже разным. А попаданцу для внедрения паровика придется выбирать какую-либо схему…

На самом деле говорить, что паровые машины отличаются топками неверно. Они отличаются котлами, просто очень часто топка и котел это конструктивно один элемент (хотя и топки тоже бывают очень разные по принципу работы). В этой же статье будут рассмотрены только особенности котлов, связанных с нагреванием воды.

На первый взгляд задача несложная. У нас есть герметичный котел с водой и у нас есть уголь. Уголь сжигают под котлом, вода кипит и все крутится. Однако, на практике, как всегда, возникают технологические проблемы.

Во-первых, котел с паровозом — это не кастрюля с пельменями. Вода в кастрюле кипит при 100°С, пока вся не выкипит и пельмени не начнут поджариваться. Для паровой машины 100°С — температура смешная. Даже самые первые и простые машины нагревали воду до 200°С (при этом давление было в районе 5-8 атмосфер), а последние из паровозов умудрялись раскочегарить воду в котле до 530°С, при этом давление уходило за 25 атмосфер. Такую температуру просто на открытом огне не получить, необходимы различные ухищрения.

Во-вторых — уголь, он денег стоит. А в океана на пароходе да в шторм — он может оказаться просто бесценным. Поэтому свою роль играет и КПД котла паровой машины, то есть какой процент тепла не улетит в паровозную трубу. Ведь хочешь-не-хочешь, а дым выходить должен. Дым горячий. Поэтому желательно по всей длине его движения отбирать тепло, чтобы повысить эту самую КПД.

Поэтому котел паровой машины — очень сложная конструкция. И по размеру это, наверное, самая большая часть паровой машины.

Котлы делятся на два типа — водотрубные и жаротрубные. Вместо «жаротрубный» можно увидеть термины и «огнетрубный» и «дымогарный», это одно и то же.
В водотрубном огонь нагревает трубы, которые выходят из котла и в которых есть вода.
В жаротрубном огонь проходит по трубам, пронизывающим котел насквозь и по пути греет воду.

Рассмотрим сначала жаротрубный котел.
В самой идее нет ничего сложного — ну трубы, проходящие через котел. Любимый тип котла для паровоза. Однако, если посмотреть на паровоз в разрезе, становится понятна сложность реализации:

Большая емкость слева — это топка. Забор из труб — это и есть дымогарные трубы, по которым проходит горячий воздух, нагревая воду вокруг них. Справа — зачаток дымовой трубы. Количество труб могло быть и заметно больше. Чем тоньше трубы — тем выше КПД котла, но чем больше труб, тем дороже паровоз. Этот вариант имеет сравнительно крупные дымогарные трубы и поэтому их не так много. Но слишком тонкими трубы делать тоже нельзя — они быстро забьются сажей и теплопроводность упадет. Приходилось искать баланс между этими основными свойствами. Много зависело от качества угля — чем он качественнее, тем меньше он дает золы и сажи.

Нужно помнить, что они должны быть герметично заделаны в котел с двух сторон. А температура в топке — 800°С и давление в котле — 20 атм. И нигде ни в одной трубе не должно быть ни малейших утечек.
Естественно, задача сложная именно с точки зрения качества производства.
Но конструкция такова, что топка становится продолжением котла и это позволяет либо сделать короткий паровоз, либо увеличить производительность пара (то есть мощность) паровоза.

Второй тип — водотрубный котел.

Здесь из котла выходят трубки с водой, которые греются пламенем.
Тут тоже — чем тоньше трубки, тем быстрее нагревается вода и тем выше КПД котла. Однако, чем тоньше трубки, тем труднее готовому пару выходить из них и поэтому пар водотрубного котла «сырой». Так же в трубках образовывается накипь, что ограничивает уменьшение их диаметра.

Водотрубных котлов было два типа — прямоточный и барабанный.

В прямоточном все просто — вода однократно течет через трубки, постепенно превращаясь в пар. Эта схема имеет недостаток — на выходе вся вода должна превратится в пар, поэтому здесь важна точность теплодинамики. Однако, успехи расчета котлов со временем сделали именно этот тип пригодным для быстроходных паровозов и пароходов.

В барабанном типе котла вода имеет несколько контуров и вода циркулирует по ним несколько раз, пока не превратится в пар. Реализовать такой котел проще с точки зрения термодинамики, но конструктивно он сложнее — должны быть несколько контуров — один для разогрева воды, а второй — для подогрева уже готового пара (на картинке изображена схема именно барабанного котла).

Ну и естественно, были гибридные котлы, в которых использовались как огнетрубные, так и водотрубные элементы. Распространения они не получили, видимо они больше сочетали недостатки двух видов котлов, чем их достоинства.

Итак, как видно попаданцу — котел просто так не построишь.
Котел должен давать требуемое количество пара в минуту и требуемой температуры. Топка должна быть точно рассчитана — чтобы и машина не оказалась слишком сложной (то есть дорогой и ненадежной), и чтобы КПД котла было максимальным, ведь обогревать вселенную — зряшная затея…