Замена парусов паровыми машинами

Паровые машины вытесняют парус

Использование механической энергии для движения судна началось в XIX веке. Первоначально оно основывалось исключительно на применении универсального парового двигателя Уатта и в морском транспорте внедрялось очень медленно. Причин можно привести несколько: большие финансовые затраты на оборудование, невысокая надежность, значительные эксплуатационные расходы, малая мощность, обусловленная низким коэффициентом полезного действия системы паровой котел — паровая машина и несовершенством колесного движителя, который был, однако, со временем вытеснен гребным винтом чешского изобретателя Йозефа Рассела и (позднее) шведского инженера Джона Эриксона * . Значительный вес механического оборудования и топлива снижали полезную грузоподъемность и делали невыгодным использование судна для дальнего плавания. Поэтому первым паровым судном был речной колесный пароход «Клермонт», построенный в 1807 г. американским инженером Робертом Фултоном. Несколько лет спустя суда с механическим двигателем появились в Англии и других европейских странах. Но еще долго паровые суда сохраняли внешний вид парусных судов и, кстати, имели паруса, хотя колеса и дымящая труба с эстетической точки зрения дисгармонировали с общим обликом изящных парусников. Образец подобной «принаряженной» шхуны показан на рис. 55. Эти суда использовались также для прибрежного плавания.

* ( Л. А. Лучанский и А. А. Яновский в книге «От весла до водомета» («Судостроение», Л., 1964) приводят описания винтов, изобретенных в разных странах задолго до предложения Рассела: 1681 г. — Р. Гук, 1731 г. — Дю-Кюэ, 1752 г. — Бернулли, 1764 г. — Л. Эйлер, 1787 г. — Фитч, 1804 г. — Д. Стивенс, 1811 г. — Джемс, 1823 г. — Делизл, 1824 г. — Долман, 1825 г. — Перкинс и только 1827 г. — Рассел. Прим. научного редактора.)

Рис. 55. Паровая шхуна с колесным движителем, пригодная для прибрежного плавания (XIX в)

Первым судном, переплывшим Атлантический океан из США в Англию (в 1818 г.), была «Саванна». Плавание длилось 27 дней. Двадцать лет спустя на линии Бристоль — Нью-Йорк начал курсировать пароход «Грейт Уэстерн» длиной 65 м и шириной 11 м с паровым двигателем мощностью 400 л. с, сокративший продолжительность плавания вдвое. А в семидесятых годах плавание через Атлантику длилось уже только около восьми дней. Приблизительно с сороковых годов XIX в. для строительства судов начали применять сталь — сначала для обшивки корпуса, позже для изготовления набора. Пароходы увеличивались в размерах и одновременно росла мощность их двигателей. Уже около 1860 г, сообщение между Англией и ее колониями в Индии поддерживалось пароходом «Грейт Истерн» длиной 207 м, шириной 25 м и водоизмещением более 27000 т, имевшим две паровые машины суммарной мощностью около 8000 л. с.

Сказанное может создать впечатление, что пароходы вытесняли парусные суда уже в XIX в. На самом деле эти суда будущего еще долгие десятилетия служили только дополнением к функционирующему в полную силу быстроходному парусному флоту, строительство которого продолжалось и в начале XX в. В пятидесятых годах XIX в. общий тоннаж торгового парусного флота в 30 раз превышал тоннаж парового флота, а двадцатью годами позже это превышение было шестикратным, причем абсолютный прирост тоннажа парусников был тогда в три раза выше, чем пароходов. Быстрому развитию мирового грузооборота, в значительной части приходившегося на морской транспорт, способствовало также интенсивное строительство каналов, улучшение естественных водных путей и создание других водных инженерных сооружений. Среди них, бесспорно, наибольшее значение имели постройка и открытие Суэцкого канала в 1869 г. Длина канала превышает 160 км, ширина на поверхности от 60 до 100 м, ширина по дну 22 м, а первоначальная глубина около 7,5 м (позднее канал был углублен и расширен).

Рис. 56. Обзорная карта морских трасс и регулярных сообщений в XVI-XIX столетиях

Строительство канала под руководством французского дипломата и предпринимателя Фердинанда Лессепса продолжалось 10 лет.

Сразу после открытия Суэцкий канал приобрел большое международное значение. Длина пути из Англии или Голландии в Индию сократилась по сравнению с привычным плаванием вокруг мыса Доброй Надежды примерно на 13000 км. Канал стал средоточием интересов великих морских держав.

Суэцкий канал, собственно, означал возрождение старого арабского «пряного торгового пути» из Азии в Европу на современном уровне, без промежуточного сухопутного караванного звена.

Другой знаменитой морской транспортной артерией стал Панамский канал, который десять лет спустя после окончания строительства Суэцкого канала начала строить также французская компания Лессепса, однако окончили строительство канала американцы (США). Панамский канал с системой шлюзов, вдвое более короткий, чем Суэцкий, имеет от 100 до 300 м в ширину и 13 м в глубину. Для международного морского транспорта канал служит связью между Европой и Дальним Востоком по западному пути вместо старого (мало используемого) Магелланова пути вокруг Южноамериканского континента. Значение его до сих пор очень велико для стран обеих Америк * .

* ( Создание Панамского канала имеет огромное значение и для судоходства всего мира. Прим. научного редактора.)

Парусники окончательно перестали служить главным средством морского сообщения в начале XX столетия. Однако они не исчезли с просторов морей. Например, классическая джонка и сейчас выполняет большую долю перевозок местных товаров на Дальнем Востоке, а сотни тысяч иных парусников дают жилье и средства к существованию миллионам людей в устьях великих азиатских рек. Со временем, вероятно, во всех уголках света в торговом транспорте мотор одержит победу над парусом, однако никогда эта победа не будет полной, так как все чаще традиционный парус утверждается там, где люди жаждут радости и отдыха — то есть в спорте и туризме.

Любознатель

Уникальный источник знаний

Как пар пришел на смену парусу?

Сам Джеймс Уатт, став почтенным совладельцем фирмы по выпуску паровых машин собственной конструкции, не помышлял о том, чтобы приспособить свое детище к движущимся повозкам. Его паровые двигатели были стационарными и быстро завоевывали все новые сферы применения.

В 1796 году паровую машину впервые приспособили для привода прокатного стана. К концу XVIII столетия в английских литейных и кузнечных цехах уже насчитывалось 28 машин Уатта. В 1810 году один лондонский издатель впервые перевел на «паровую тягу» ручной печатный станок.

Но рано или поздно паровая машина вслед за первой попыткой Кюньо непременно должна была появиться и на транспорте. С конца XVIII столетия изобретатели разных стран стали активно опробовать паровой двигатель и на воде, и на суше. Прежде всего удалось приспособить его к кораблю.

…В, 1819 году посреди Атлантического океана произошла загадочная история. Капитан некоего парусника заметил на горизонте клубы дыма и изменил курс, полагая, что на каком-то корабле возник пожар и ему нужна помощь. Вскоре он и в самом деле увидел трехмачтовое судно, однако подойти к нему и оказать помощь не смог. Судно шло полным ходом, и догнать его было попросту невозможно. Разгадка же была простой — американское судно «Саванна» совершало первый в истории переход через Атлантику с помощью парового двигателя. Котлы нагревались дровами, паровая машина приводила в движение гребные колеса из кованого железа, размещенные по бортам. Но справедливости ради надо сказать, что запускали паровую машину лишь изредка, при слабом ветре. В остальное же время «Саванна» шла под парусами как самый настоящий трехмачтовый парусник с полной оснасткой. В хороший ветер гребные колеса снимались с вала и поднимались на палубу, чтобы не мешать движению. И тем не менее факт остается фактом: в 1819 году на трансатлантической трассе впервые на корабле был использован паровой двигатель.

Правда, потенциальные пассажиры отнеслись к новшеству недоверчиво. В американском порту Саванна (отсюда и название корабля) перед рейсом пробовали продавать билеты до Ливерпуля, куда направлялось судно, но купить их никто не решился, пароход пересек Атлантику порожняком.

Однако не следует считать «Саванну» первым в мире пароходом. Дело в том, что опыты с паровыми машинами в судостроении начались не на море с его постоянным волнением, а на спокойной речной воде.

Одним из первых изобретателей здесь был американец Джон Фитч. В 1785 году он сконструировал пароход, приводившийся в движение цепью с лопатками, отдаленно похожей на гусеницы современных тракторов и танков. После неудачи Фитч пытался приспособить к судну ряд гребных лопастей, работавших попеременно, подобно гребцу на каноэ, но тоже не добился успеха.

Различные изобретатели предлагали и иные конструктивные решения, но лишь американец Роберт Фултон спроектировал и построил первую удачную конструкцию парохода, получившего название «Клермонт». Лучшим решением оказалось приспособить паровую машину к гребному колесу. Интересно, что идея самого гребного колеса была известна еще со времен античности, правда, приводить его в движение с помощью зубчатой передачи предлагалось, естественно, не машиной, а силой рабов или волов, ходивших на палубе по кругу.

Как бы то ни было, в 1807 году «Клермонт» совершил свой первый рейс по реке Гудзон от Нью-Йорка до Олбани. Опять-таки никто не решился стать пассажиром. Единственный смельчак нашелся только в следующем рейсе…

Что же касается «Саванны», то она пересекла океан за 29 дней и 11 часов. Когда она подошла к английским берегам, капитан таможенного катера тоже заподозрил, что на судне пожар, и бросился на выручку.

Если парус соревновался с веслом многие века, прежде чем стал главным корабельным двигателем, то переход от паруса к паровым машинам занял лишь несколько десятилетий. Уже в 1838 году английский пароход «Сириус» впервые пересек Атлантику, вообще ни разу не подняв паруса. Так было доказано, что корабль с надежным паровым двигателем может обходиться без парусов. К тому же двигатель, помимо всего прочего, давал горячую воду, обогревал каюты и другие помещения. Как и «Саванна», «Сириус» был колесным пароходом. Пока еще он явно проигрывал паруснику в скорости, которую тот мог бы развить при хорошем ветре. Но с 40-х годов XIX века на корабля стали использовать гребные винты, существенно увеличившие скорость и мореходные свойства судна. И с тех пор машины медленно, но верно стали теснить паруса на морских дорогах.

Больше всех паровых машин производила Англия, ставшая к этому времени мощной промышленной державой. Неудивительно, что именно английские корабелы первыми стали создавать паровой флот. Очень быстро появились и пароходы-гиганты. Начало их строительству положил инженер Изамбар Брюнель.

Первым из его знаменитых судов был «Грейт Вестерн». Этот пароход в 1838 году начал регулярные рейсы между Англией и Америкой. Пять лет спустя по проекту и под руководством Брюнеля был построен пароход «Великобритания». Достоинства этого судна превозносили тогда газеты всего мира: это был первый пароход, целиком построенный из железа и приводимый в движение гребными винтами, а кроме того, впервые отсеки судна стали водонепроницаемыми, дно — двойным, а форма корпуса — рассчитанной по всем законам гидродинамики.

Наиболее же известное детище Брюнеля — пароход «Грейт Истерн», построенный в 1857 году и предназначавшийся для рейсов из Англии в Индию вокруг Африки. Длина парохода составляла 208 метров, ширина — около 25 метров. Этот гигант с пятью трубами был в пять раз больше самого крупного судна того времени. Мощность паровых машин равнялась 11 тысячам лошадиных сил — газетчики подсчитали, что ее хватило бы для работы всех ткацких фабрик «текстильного» города Манчестера. На «Грейт Истерне» были и огромные гребные колеса, и гребной винт, а вдобавок на шести мачтах можно было поднять паруса общей площадью 5,5 тысяч квадратных метров.

Однако судьба «Грейт Истерна» сложилась не очень счастливо. В 1869 году открылся Суэцкий канал, и путь из Англии в Индию во много раз сократился, поскольку теперь не надо было огибать Африку. А пароход-гигант не мог пройти узким каналом и остался «не у дел». Рейсы в Атлантике себя не окупили, поскольку между Англией и Америкой и без того ходило немало кораблей. Правда, в 1867 году «Грейт Истерну» выпала честь принять на борт Жюля Верна, знаменитого французского фантаста, отправившегося в Соединенные Штаты на очередную Всемирную выставку.

Самой большой заслугой парового исполина стало участие в работах по прокладке подводного телеграфного кабеля между Европой и Америкой в 1865-66 годах, Ни один другой корабль в мире не мог взять на борт тысячи километров тяжелого кабеля, заключенного в толстую защитную оболочку. (Впереди нас ждет более подробный рассказ об этой уникальной для своего времени технической операции.)

В 1888 году «несчастливого» гиганта пришлось пустить на слом. И только в начале XX века появились корабли еще больших размеров, но это была уже иная эпоха в судостроении: на смену паровым машинам пришли более экономичные паровые турбины. Скорости пароходов еще больше возросли, появились к этому времени и другие новшества: каюты осветились электрическими лампами, капитан мог отдавать команды машинному отделению по судовому телеграфу.

Первые паросиловые установки на кораблях

В течение нескольких тысячелетий единственными движителями как на военных, так и на гражданских кораблях были паруса и весла. И только в начале XIX века их начали вытеснять первые механические двигатели – паровые машины.

Паровая машина – это тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. Она является составной частью паросиловой установки, помимо паровой машины включающей также котел. На крупных боевых кораблях и гражданских судах одним котлом не ограничивались – мощные паровые машины потребляли огромное количество пара. Например, на броненосном крейсере «Рюрик», построенном в Англии в 1906-1909 годах имелись две паровые машины суммарной мощностью 19 700 л. с. и 28 паровых котлов.

На сухопутных транспортных средствах (паровозах) отработанный пар, как правило, выпускается в атмосферу. Из-за этого их коэффициент полезного действия очень низок и не превышает 8 %. На кораблях благодаря расширению проточной части и наличию конденсаторов пара КПД паросиловых установок доходит до 25 %.

ТИПЫ ПАРОВЫХ МАШИН

Самыми ранними силовыми агрегатами стали паровые машины с простым расширением. В них пар работает только при расширении его в цилиндре, а отработанный пар выпускается напрямую в атмосферу или поступает в специальный конденсатор. Остаточное тепло пара при этом может быть использовано, например, для обогрева помещения или транспортного средства, а также для предварительного подогрева воды, поступающей в котел. В процессе расширения в цилиндре машины высокого давления температура пара падает пропорционально его расширению. Поскольку теплового обмена при этом не происходит, получается, что пар поступает в цилиндр с большей температурой, чем выходит из него. Подобные перепады температуры в цилиндре приводят к снижению КПД паросиловой установки.

Один из методов борьбы с этим перепадом температур был предложен в 1804 году английским инженером Артуром Вульфом, который запатентовал компаундную паровую машину В ней высокотемпературный пар из парового котла поступал в цилиндр высокого давления, а после этого отработанный в нем пар с более низкой температурой и давлением поступал в цилиндр (или цилиндры) низкого давления. Это уменьшало перепад температуры в каждом цилиндре, что в целом снижало температурные потери и улучшало общий коэффициент полезного действия паровой машины. Пар низкого давления имел больший объем и соответственно требовал большего объема цилиндра. Поэтому в компаудных машинах цилиндры низкого давления имели больший диаметр (а иногда и большую длину), чем цилиндры высокого давления. После 1880-х годов компаундные паровые машины стали практически единственным типом, использовавшимся на пароходах.

ДАЛЬНЕЙШЕЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ

Логичным развитием схемы компаунда стало добавление в нее дополнительных стадий расширения, что увеличивало эффективность работы. Результатом стала схема множественного расширения, известная как машины тройного или даже четырехкратного расширения. Такие паровые машины использовали серии цилиндров двойного действия, объем которых увеличивался с каждой стадией. Иногда вместо увеличения объема цилиндров низкого давления использовалось увеличение их количества.

Появление этого типа паровых машин стало особенно актуальным для флота, поскольку требования к размеру и весу для судовых машин были не очень жесткими, а главное, такая схема позволяла легко использовать конденсатор, возвращающий отработанный пар в виде пресной воды обратно в котел (использовать соленую морскую воду для питания котлов было невозможно). Наземные паровые машины обычно не испытывали проблем с питанием водой и потому могли выбрасывать отработанный пар в атмосферу. Поэтому такая схема для них была менее актуальной, особенно с учетом ее сложности, размера и веса. Доминирование паровых машин множественного расширения закончилось только с появлением и широким распространением паровых турбин.

ПРИМЕНЕНИЕ В ВОЕННЫХ ФЛОТАХ

В первой половине XIX века паровые машины постепенно распространяются в военных флотах ведущих стран мира. Первыми кораблями, применявшими такую силовую установку, стали колесные пароходофрегаты. С появлением гребного винта паровые машины устанавливаются и на линкорах. Крымская война 1853-1856 годов наглядно показала преимущества механической силовой установки над парусом, и мир вступает в эпоху паровых флотов. При этом еще долгое время на кораблях сохранялось вспомогательное парусное вооружение, служащее для экономии топлива в дальних походах и для подстраховки в случае выхода из строя паровой машины.

Паровые машины доминировали в военных флотах до начала XX века, когда их начали вытеснять паровые турбины. Однако ввиду простоты своей конструкции паровые машины применялись на вспомогательных судах и некоторых боевых кораблях (например, тральщиках) еще и во время Второй мировой войны.