Устройство парового двигателя автомобиля
Когда автомобиль будет иметь паровой двигатель?
Так сложилось, что даже люди с техническим образованием мало что знают об этом устройстве. Сегодня мы и восполним этот пробел, вспомним, как устроен паровой двигатель, его принцип действия. Его преимущества, недостатки и применении в современных условиях. И немного о истории изобретения.
Паровая машина кардинально изменила картину мира, произвела революцию в промышленности, на транспорте, дала импульс для новых открытий. Она служила универсальным двигателем на протяжении XIX века, и даже с появлением механизмов, требующих высоких скоростей, не канула в лету. Вместо тихоходной паровой машины ученые разработали быстроходную турбину с одним из самых высоких к.п.д.
История изобретения парового двигателя
Упоминание о первых паровых машинах датировано первым столетием нашей эры. Устройство, описано Героном Александрийским ‒ пар выходил из сопл, закреплённых на шаре, и приводил в движение двигатель.
Правда, настоящая паровая турбина появилась в Египте в 16 веке. Ее изобрел араб Таги-аль-Диноме.
Подобную машину построил 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка. То есть, как только в обществе наступило экономическое благополучие и возникла необходимость в данном механизме, его тот час же изобрели.
В конце 17 века были созданы ещё две модели: в Испании двигатель сконструировал Аянс де Бомонт, а в Англии Эдвард Сомерсет в 1663 году установил паровую установку для закачки воды в Большую башню замка Реглан. Но все проекты быстро сворачивались и забывались. Тогда, как впрочем, и сейчас все новое не воспринималось большинством, и деньги на разработку никто давать не решался.
Паровой котёл создал француз Дени Папен. Он же изобрёл и предохранительный клапан для стравливания избыточного давления. Дело в том, что высокое давление, создаваемое паром, приводило к частым взрывам.
Кстати, в то же время появилось и расхожее выражение: «выпустить пар», которое означало ‒ успокоить нервы, пошумев на окружающих, без сноса собственного котелка и без жертв среди мирного населения.
Но на этом история паровых двигателей не прервалась. Англичанин Томас Ньюкомен в 1712 году сделал шахтный насос для подачи воды на верх. Двигатель Ньюкомена стал пользоваться спросом, с его массового выпуска началась английская промышленная революция.
В России первую паровую машину в 1763 году спроектировал И.И.Ползунов. С ее помощью приводились в действие воздуходувные меха на заводах.
А француз Николас-Йозеф Куньо шесть лет спустя сконструировал первую паровую телегу. Она приводила в движение сельскохозяйственные механизмы.
А в 1788 году Джон Фитч построил пароход, который вмещал 30 человек, и шел со скоростью до 12 километров в час.
В 1804 году на металлургическом заводе в Южном Уэльсе был испытан первый железнодорожный паровой поезд, его построил Ричард Тревитик.
Как устроен паровой двигатель. Принцип действия
Для работы паровой машины потребуется паровой котёл. Поступающий из него пар, расширяется и воздействует на поршень или же на лопатки паротурбины, затем их движение передаётся на другие механические части устройства.
Как устроен паровой двигатель показано на иллюстрации
Движение поршня через шток, ползун, шатун и кривошип передаётся на главный вал, который несет маховик, необходимый для снижения неравномерности вращения.
Эксцентрик, находящийся на главном валу, через эксцентриковую тягу воздействует на золотник, который управляет впуском пара в цилиндре. Пар из цилиндра выбрасывается в атмосферу или направляется в конденсатор.
Чтобы поддерживать постоянное число оборотов вала, при изменении нагрузки, на паровых машинах устанавливают центробежный регулятор, он автоматически изменяет сечение прохода пара, направляемого в паровую машину (при дроссельном регулировании) или момент отсечки наполнения (при количественном регулировании).
Поршень создает в цилиндре парового двигателя одну (две) полости переменного объёма, в них и происходят процессы сжатия и расширения.
Преимущества и недостатки
Основное преимущество паровой машины, как двигателя внешнего сгорания, отделение котла от самой машины. Это дает возможность использовать что угодно в качестве топлива хоть хворост, хоть урановое топливо, что выгодно отличает ее от двигателя внутреннего сгорания ‒ там для каждого типа требуется определённый вид горючего.
Заметнее всего это преимущество в случае с ядерным реактором, который не может производить механическую энергию, а вырабатывает лишь тепло, которое используют для получения пара, вращающего паровые турбины.
В двигателях внешнего сгорания можно использовать и другие источники тепла, например, энергию солнца или энергию разности температур океана на разной глубине.
Интересный факт, паровой локомотив хорошо работает на больших высотах, при чем эффективность двигателя не падает, а, наоборот, растет благодаря низкому атмосферному давлению.
Паровозы и сегодня используют в горной местности Латинской Америки и Китая, при том, что в равнинных районах они давно заменены на более современные типы локомотивов.
Даже в Швейцарии и в Австрии в ходу усовершенствованные тепловозы, работающие на сухом паре. Их разработали на основе модели SLM производства 1930 года. В конструкцию внесли ряд изменений: использовали роликовые подшипники, современную теплоизоляцию, новые виды топлива, специальные паропроводы и ряд других новшеств.
Благодаря этому потребление топлива уменьшилось на 60 процентов, а вес стал ниже, чем у дизельных и электрических аналогов, что актуально для железных дорог, проходящих в горной местности.
Среди других положительных качеств парового двигателя:
К недостаткам можно отнести:
Применение в настоящее время
Сегодня паровые машины нашли широкое применение в виде паровых турбин, которые работают как приводы электрогенераторов.
Паровая турбина состоит из вращающихся дисков, которые закреплены на одной оси. Этот узел называется ротором. Также есть статор ‒ его неподвижные диски чередуются с дисками ротора. На дисках ротора размещены лопатки, при попадании на них пара, механизм приходит в движение.
Аналогичные лопатки, только расположенные под противоположным углом, есть и на дисках статора. Они служат для перенаправления струи пара на следующий диск ротора.
Турбина преобразует энергию пара во вращательное движение без каких-либо дополнительных механизмов. То есть преобразование возвратно-поступательного хода во вращательное движение делать не нужно.
Также у турбин меньшие размеры нежели у возвратно-поступательных машин, и они отличаются постоянным усилием на выходном валу. Ещё один плюс ‒ простая конструкция, а значит придётся меньше тратить средств на эксплуатацию.
Сфера использования паровых турбин ‒ производство электроэнергии. Более 85 процентов электрической энергии вырабатывают именно паровые турбины. Также их используют как судовые двигатели, в частности на подводных лодках и атомоходах.
Теперь вы знаете, как устроен паровой двигатель, что паровая машина, изобретённая ещё в первом столетии нашей эры, вовсе не анахронизм, а современное высокотехнологичное устройство, благодаря которому жизнь многих людей стала комфортнее.
Перспективы применения паровых машин на автомобилях имеют пока туманные очертания, но творческая мысль изобретателя не имеет границ и я с полной уверенностью могу предположить, что скоро появятся двигатели с элементами парового носителя
Подписывайтесь на наш блог, чтобы узнать много нового и интересного. Поделитесь этой информацией с друзьями в социальных сетях ‒ пусть они повысят свой технический уровень, ну и вам будет приятно иметь умных друзей.
Пар против бензина
О чём подумает обыватель услышав о паровом автомобиле? Наверное, на ум придут неспешные паровозы, громоздкие котлы, закипающие по полчаса, да клубы пара и дыма. Паровая машина ассоциируется с чем угодно, но только не с образом небольшого проворного автомобиля, по виду которого и не скажешь, что под капотом у него нет привычного ДВС.
Какое-то время автомобили с электродвигателями, паровыми машинами и ДВС успешно конкурировали друг с другом на рынке. В 1902 году в Америке из 909 новых зарегистрированных автомобилей 485 были паровыми. Но уже к началу 1910-х конструкторы смогли значительно улучшить ДВС введя такие новшества, как электростартер. Эпоха пара стремительно заканчивалась. Самые совершенные паровые автомобили 1920-х годов совершили свой последний рывок, но не смогли составить конкуренцию массовым и недорогим карбюраторным машинам. О них мы сегодня и поговорим.
Поздний Stenley Steamer с паровым двигателем и конденсатором
Чем хорош пар
Может показаться странным, но по своим качествам паровой двигатель намного лучше ДВС:
Четырёхцилиндровый паровой двигатель Doble в блоке с тормозами и дифференциалом. Хотя это автобусный задний мост, сам двигатель взят от легкового автомобиля, запас прочности у него был высокий.
Возникает вопрос: если паровые двигатели действительно хороши, почему паровые автомобили так быстро уступили рынок? Проблема в том, что паровому двигателю для работы нужен пар. Именно парогенератор — самая проблемная часть парового автомобиля. Его нужно сделать лёгким, компактным, надёжным и безопасным. От его конструкции во многом зависит мощность, удобство эксплуатации и скорость подготовки к движению. А ведь нужно ещё и охлаждать отработанный пар, возвращая его в контур, иначе запаса воды надолго не хватит. Да, мощные, компактные и надёжные паровые двигатели делали более ста лет назад, но проблемы парогенераторов и их обвязки так и не были решены до конца.
Нагрев и охлаждение пара
Котлы паровых машин делятся на два типа — жаротрубные и водотрубные. Грубо говоря, жаротрубный котёл — это бак с водой, через который проходит множество трубок. Горячий газ из камеры сгорания идёт по трубкам и нагревает воду. Именно такие котлы были на паровозах, а также на многих ранних паровых автомобилях.
Жаротрубный котёл парового автомобиля
У таких котлов есть два существенных недостатка. Во-первых, они потенциально опасные. Если где-нибудь возникнет утечка пара, то давление в котле начнёт быстро снижаться. Но с понижением давления уменьшается и температура кипения. Вода начнёт всё сильнее и сильнее кипеть пока резко возрастающее давление не разнесёт котёл на куски. Эта проблема решается предохранительными клапанами и ослабленными местами контура, которые точно лопнут раньше предохраняя сам котёл от взрыва. Фирма Stanley произвела около 10000 паровых автомобилей, некоторые из которых до сих пор на ходу. За всю их эксплуатацию не было ни одного случая взрыва.
Но второй недостаток преодолеть не удалось. В жаротрубном котле находится довольно много воды, поэтому перед поездкой её сперва необходимо вскипятить, на что требуется от десяти минут. По этой причине на поздних паровых машинах перешли на водотрубные котлы. В таком котле внутри камеры сгорания находится труба (или трубы), по которой циркулирует вода.
Водотрубный котёл Doble в разрезе
Фирма Doble выпускала автомобили с очень крутыми котлами на своё время. В них использовалась спираль из трубы длиной более 170 метров с переменным диаметром. В ней циркулировало всего лишь 2 литра воды, поэтому летом рабочее давление достигалось примерно за минуту-полторы. И речь шла не о том, чтобы кое-как тронуться с места. Автомобиль мог выехать на шоссе и разогнаться до 150 км/ч.
Но у котлов такого типа тоже хватает проблем. Жаротрубный котёл большой ёмкости хоть и долго разогревается, но зато имеет некоторый запас энергии. Вода нагревается и остывает не моментально, а за какое-то время, пусть и небольшое. Поэтому когда автомобиль съезжает с хорошей дороги на просёлок, то первое время используется запас мощности котла, а дальше горелка разгорается с большей силой. Однако в водотрубном котле Doble практически не было запаса энергии. Для его работы требуется автоматическая система управления, которая следит за давлением и температурой и при необходимости регулирует подачу воды и горение топлива. Но это далеко не всё. После достижения нужной температуры подача топлива прекращается и пламя затухает, однако оставшийся жар какое-то время продолжает греть воду. Дальнейший рост давления и температуры тоже нужно автоматически скомпенсировать. Если автоматика будет работать с ошибками, то труба может запросто прогореть.
Ранний паровой автомобиль Stanley без конденсатора. Красиво, но чудовищно неэффективно
Думаете, на этом трудности закончились? Как бы не так. У ранних паровых автомобилей отработанный пар выбрасывался из цилиндров в атмосферу. Во-первых, это существенно сокращало запас хода, поскольку воды хватало максимум на 150 километров (обычно и того меньше). Во-вторых, с паром выбрасывается значительная энергия, что уменьшает и без того невысокий КПД. Если пар конденсировать и возвращать в систему в виде горячей воды, то можно сэкономить топливо на её кипячение и увеличить дальность хода.
Паровой автомобиль White с конденсатором
В те годы фирма White освоила выпуск паровых автомобилей с конденсаторами. По виду они напоминают радиаторы для ДВС жидкостного охлаждения. Их задача — охладить как можно больше пара и вернуть воду в контур. Если конденсатор не справляется (а у White они и близко не справлялись), то часть пара всё же приходится стравливать в атмосферу.
Великолепный Doble
После 1910 года многие фирмы ушли с рынка паровых машин. Крупные игроки какое-то время продолжали их выпуск, например, Stanley держалась до 1924 года. Но к концу 20-х годов сдались все, кроме одной фирмы. Зато какой.
Братья Добли известны как создатели лучших в мире паровых автомобилей. Каждая из машин знаменитой серии Model E была уникальной по конструкции, собиралась вручную, использовала лучшие технические решения из возможных и стоила огромных денег.
Через сотовый радиатор можно было заглянуть внутрь
Абнер Добль, самый известный из братьев, родился в многодетной семье в 1890 году. Когда в 1906-09 годах Абнер с братьями переделывали паровой автомобиль White, эпоха пара уже шла к концу, а ведь они были подростками. Первое достижение братьев Добль — создание достаточно эффективного сотового конденсатора с площадью поверхности в шесть раз больше, чем у White. Благодаря нему запаса воды хватало более чем на 300 км против 150 км.
Следующий шаг — водотрубный котёл с автоматическим управлением. На машинах Stanley или White нужно было лезть под капот, вручную зажигать пламя в горелке и долго ждать, пока поднимутся пары. Добли разработали горелку с электрическим зажиганием. Турбина нагнетала воздух в карбюратор, где он смешивался с керосином (или любым другим подходящим топливом, паровые машины практически всеядны). Затем смесь поджигалась, а раскалённые газы проходили через трубки с водой и выбрасывались под машиной. После того, как было достигнуто рабочее давление, горелка отключалась. А дальше она время от времени автоматически включалась в зависимости от падения давления. Для компенсации возрастающей по инерции температуры впрыскивалась водопаровая эмульсия. Теперь паровой автомобиль смог так же просто заводиться, как и бензиновый.
Первый коммерческий автомобиль Doble-Detroit (или Model C) привлёк много внимания, но оказался провалом. Автоматика работала далеко не идеально. Были проблемы и с реверсом: автомобиль мог произвольно начать движение задним ходом вместо переднего. Наконец, Абнер и Джон разругались.
Уильям Добль отлаживает парогенератор
В 1921 году Джон Добль умер от рака. Братья снова объединились и основали фирму Doble Steam Motors. После нескольких проходных машин Model D к 1922 году Добли создали Model E, на котором большинство проблем было решено. Именно на нём появился котёл со спиралью из единой трубы длиной более 170 метров переменного диаметра. Температура в топке превышала 1400 градусов (примерно до 1800 градусов), но за счёт теплоизоляции наружные стенки парогенератора нагревались лишь до 65 градусов. Рабочее давление в спирали составляло 53 бар, хотя она испытывалась на давлении свыше 460 бар. При температуре пара свыше 450 градусов горелка автоматически выключалась. Далее нормализатор останавливал дальнейший нагрев от остаточного жара.
Паровой двигатель состоял из четырёх цилиндров: два высокого давления и два низкого. Из спирали пар попадал в цилиндры высокого давления, затем в цилиндры низкого давления, далее он поступал на турбины, вращающие вентилятор, а после доохлаждался в конденсаторе. Всё управление двигателем сводилось к выбору направления движения (вперёд/назад), переключению трёх отсечек (очень примерные аналоги передач), которые задавали, как долго пар будет поступать в цилиндры, да к повороту дросселя — аналога педали газа. Добли предпочитали круглый дроссель на руле вместо педали.
Абнер Добль за рулём. Один руль для левого колеса, другой для правого
Абнер Добль был перфекционистом до мозга костей. Он постоянно вносил какие-то улучшения, поэтому каждый автомобиль Doble уникален по конструкции. Отсюда традиция указывать не только модель, но и номер, например, Model E-20 с двигателем №20. А если учесть, что некоторые автомобили переделывались (и не по одному разу), составить техническое описание довольно трудно.
Абнер хотел только лучшие детали из возможных. Рули изготавливались из немецкого серебра и эбенового дерева (одна из ценнейших пород), полированного воском. Каждый парогенератор требовал точной индивидуальной настройки. Кузова от Murphy — лучшие из доступных, и всего за 9000$ (Ford T целиком стоил около 300$), листовые рессоры из полированной хром-ванадиевой стали, а рама из хромоникелевой стали. Дошло до того, что на заливной горловине было 13 винтов — на один больше, чем у Роллс-Ройса! Надо ли говорить, что автомобили Doble были самыми дорогими на рынке. Лишь один автомобиль, роскошный Locomobile 48, стоил аналогичных денег.
Шасси без кузова
За огромную цену в 250 000$ современных долларов (всего-то 20 миллионов рублей) счастливый покупатель получал автомобиль в базовой комплектации. Он без труда разгонялся до 150 км/ч (некоторые версии до 185 км/ч) и отлично управлялся. Двигатель работал практически бесшумно и без вибраций, ведь у автомобиля не было даже карданной передачи. На 144 км/ч вал мотора неспешно крутился при 1350 об/мин. Низкий центр тяжести и масса в 2,5 тонны обеспечивали отличную устойчивость.
Два автомобиля купил Говард Хьюз — один из богатейших людей Америки, ещё более эксцентричный, чем Абнер Добль. Он захотел непременно быстрейший автомобиль и заказал Доблю переделку E-20. Кузов максимально облегчили, изменили передаточное число и поставили новый парогенератор. В 1925 году Хьюз разогнался на нём до 213 км/ч. На тот момент это был один из быстрейших автомобилей в мире, да ещё и на пару. Что интересно, сам паровой двигатель оставили без изменений. Фактически мощность упиралась именно в парогенератор.
Этот роскошный паровой автомобиль Doble купил промышленник Оскар Хеншель.
Хотя паровые автомобили Doble были одними из самых дорогих на рынке, фирма работала в убыток. Братья Добли спохватились и построили упрощённое и удешевлённое шасси Simplex, но было уже поздно. Абнер Добль был интересным инженером, но хороший бизнесмен из него не получился. В 1931 году фирма Doble была продана. В любом случае, едва ли производитель настолько роскошных автомобилей с экзотической силовой установкой смог бы пережить великую депрессию.
Автомобили Doble давно уже стали объектом почитания любителей пара. По их мнению бесшумные автомобили с образцовым удобством вождения были загублены то ли нефтяным лобби, то ли неуёмным перфекционизмом Абнера Добля. Да, у паровых машин есть целый список существенных достоинств. Они могут работать на самых разных видах топлива вплоть до мазута и отработанного масла, а продолжительное горение даёт чистый выхлоп. Но не меньше у них и недостатков. Чем выше давление и температура в спирали котла, тем мощнее автомобиль, но вместе с тем труднее бороться с коррозией трубы. Кроме того, время от времени котёл нужно разбирать для чистки спирали, причём на плохом дешёвом топливе он загрязняется быстрее (вот вам и экономия). Что касается ремонта и настройки двигателя, парогенератора и его обвязки — это другой мир, забудьте всё, что вы до этого знали об устройстве автомобиля.
Doble Model E-5
Хотя Абнер Добль говорил, что на одном баке воды его автомобиль может пройти более 2 тысяч километров, это была лишь реклама, в которую верят разве что фанаты пара. По словам Джея Лено, владельца двух Doble Model E, воды хватает на 300 километров, а на жаре и того меньше. Да, вы садились в автомобиль, включали зажигание и через минуту ехали по улице. Но только если перед этим ваш механик проверит и настроит паровую машину. Впрочем, если у вас есть 20 миллионов рублей на автомобиль и ещё столько же на его модернизацию, то уж на личного механика деньги как-нибудь найдутся.
Наконец, одна из главных трудностей — замерзание воды в зимнее время. Для нашего севера воду пришлось бы разбавлять спиртом до 30-40%. Если он питьевой, то это демографическая катастрофа для любого посёлка, в котором остановился владелец парового автомобиля зимой. Но что у Doble не отнять, так это индивидуальность: каждая машина — уникальный образец бескомпромиссного искусства. История их автомобилей заслуживает отдельной подробной статьи.
Автор: Дмитрий Зайцев
Аренда ВПС сервера с быстрыми NVMе-дисками и посуточной оплатой у хостинга Маклауд.
Паровые автомобили СССР
Паромобиль — техника будущего?
Паровые автомобили СССР Паровые автомобили, СССР, автомобили
Но, может, этот девайс всего лишь драндулет, использование которого не оправдано ни с какой стороны? Это ж паровик, КПД «как у паровоза» и т.д. Признаюсь, при начале прочтения поста первая мысль была именно такая. Но КПД – это всего лишь цифра. Если без объезженных стереотипов просчитать и другие цифры, почитать отзывы комиссий… Может, картина сложиться совсем другая.
Паромобиль во дворе НАМИ, 1948 год.
В 1948 году был изготовлен автомобиль, который заправляли дровами. Разработчик и изготовитель – Центральный научный автомоторный институт, СССР.
Автор статьи Дмитрий Дашко
Журнал «Грузовик-пресс» № 11 2011 год
Предшественники
В 1927 году ненадолго возрос интерес к автомобилям парового типа, благодаря освоению парового двигателя высокого давления. Это позволило продержаться паромобилям, как грузовым так и легковым, в производстве до конца 1930-х годов.
Советские инженеры впервые обратились к автомобилям с паровыми двигателями в середине 1930-х годов. НИИ механизации лесного хозяйства в 1935 году предложил проект парового трехосного грузовика на базе ЯГ-10. Опытный экземпляр не был построен ввиду сложности изготовления — в конструкцию ЯГ-10 вносилось слишком много изменений. В том же году в Научном автотракторном институте (НАТИ) было создано Бюро паросиловых установок, которое занималось испытаниями всевозможной техники с паровыми двигателями. В 1936 году там испытали легковой паромобиль Double, в 1938 году шеститонный грузовой Sentinel S4 с котлом низкого давления. Британский Sentinel топили углем, и, несмотря на все минусы такой заправки, эксплуатация оказалась выгодней, чем на обычной бензиновой машине. Литр бензина тогда стоил девяносто пять копеек, а килограмм угля всего четыре копейки.
К концу 1930-х годов автомобили, работающие с газогенераторными установками, прочно обосновались в лесной промышленности нашей страны, однако грузоподъемность таких машин была невелика, а установка сложна в эксплуатации.
В 1940 году спецбюро под руководством И. С. Скиридова приступило к постройке парового грузовика МП-28. В СССР впервые решили применить компоновку «кабина перед двигателем», т.к. это позволяло выдвинуть вперед кабину, а паровой двигатель и котел установить между кабиной и грузовой платформой. Для грузового автомобиля спроектировали паросиловую установку с прямоточным котлом высокого давления, конденсатор, турбины вентилятора и парогенератора. Вся эта установка должна была базироваться на шасси ЯГ-6.
Пятитонный автомобиль должен был оснащаться 4-х цилиндровым двигателем двухстороннего действия мощностью 120 л.с. при 1500 об/мин. Котловое давление паросиловой установки – 100 атм., топливо – любое жидкое. Машина должна была развивать скорость 40 км/ч. Был также разработан паровой котел – парогенератор ПТ1 для работы на твердом топливе – антраците. Он имел также котловое давление 100 атм. и поверхность нагрева 12 кв.м. Паросиловая установка работала по замкнутому циклу с двухсторонним расширением. Цилиндры имели диаметр 75 мм и высоту 130 мм. Однако в 1941 году тема снимается с плана института — завод НАМИ переквалифицировался под выпуск военной продукции. Машину бросили недостроенной, но идею не оставили.
В 1946 году были проведены испытания парового тягача «Саксенберг», проведенные под руководством Ю. А. Шебалина и консультанта С. В. Татищева. Немецкий магистральный паровой тягач модели DW-60 был изготовлен в 1944 году. Вес автопоезда с двумя прицепами составлял 15000 кг. С таким весом автопоезд развивал скорость до 35 км/ч. На тягаче размещались бункеры для 450 кг топлива и водяные баки емкостью 400 л. Автомобиль с такими параметрами инженерам понравился. В том же году, 2 июля, на научно-техническом совете Минавтопрома обсуждались результаты этих испытаний, после которых Министерство лесной промышленности пролоббировало постройку отечественных паровых автомобилей.
Собственный автомобиль
Отмашкой для начала работ по созданию отечественных образцов паровых автомобилей стало постановление Совета Министров СССР от 07 августа 1947 года «О механизации лесозаготовок и освоении новых лесных районов». Указанным постановлением НАМИ было поручено разработать конструкцию и построить лесовозный паровой автомобиль, работающий на дровах. Такого в мировом автомобилестроении точно еще не было — чтобы заправить машину достаточно было подбросить в нее дровишек… Удаленные районы страны сильно нуждались в повышении качества перевозок и их удешевлении. Работа автомобиля на местном топливе увеличивала бы экономический эффект в разы.
За альтернативный проект взялось и Министерство автомобильной и тракторной промышленности (МАТП), которое заказало разработку паромобиля… в Берлине в своем местном техническом бюро. В основу работ легло предложение фирмы Buttentut, находившейся в английском оккупационном секторе Берлина, о создании паровой силовой установки для автомобиля с минимальными переделками базового двигателя внутреннего сгорания — изменялись головка цилиндров, трубопроводы, система управления. Подобный паромобиль был создан еще до войны на шасси грузовика, переделанного из Ford-Koeln. В том же 1947 году в НАМИ были направлены описание и чертеж паровой машины.
По соглашению с советской стороной фирме Buttentut должны были поставить шасси ЯАЗ-200 в комплекте с дизелем ЯМЗ-204, однако по невыясненным причинам ярославцы к 1948 году так ничего в Германию и не прислали. Техническое бюро в Германии решило закупить 85-сильный дизель Kamper, который, по заверениям представителей Buttentut, после переделки должен был выдавать 125 л.с… Было также закуплено шасси пятитонного грузовика Bussing для установки на него этого двигателя. Пар производился в водотрубном котле с пароперегревателем и экономайзером, построенном по лицензии фирмы Le Mont. По расчетам, производительность котла должна была быть на уровне 800 кг пара в час при перегреве до 400 градусов Цельсия и давлении 40 атмосфер. Расчеты эти не оправдались. В конце 1948 года Buttentut по договору поставила советской стороне двигатель и два некомплектных паровых котла. Работа была выполнена некачественно и к фирме осталось много претензий. На испытательной базе в Берлине двигатель на стенде смог развить только 50 л.с. при 20 атм давления пара. Причины столь низкого показателя банальны — котел был изготовлен из некачественной стали, отсутствовал насос высокого давления и т.д.
В Buttentut отказалась исправлять дефекты, и дальнейшие переговоры с немецкой стороной оказались безрезультатными. Надавить на фирму тоже не удавалось — она располагалась в английской зоне Берлина. Ряд неисправностей установки устранили своими силами и отправили ее в СССР. Неизвестно, что случилось с этим комплектом, возможно, что его частично использовали для постройки первого советского паромобиля НАМИ-012, который параллельно создавался в НАМИ с весны 1948 года, но это лишь предположение.
НАМИ-012
Построенный осенью 1948 года первый образец не имел своего обозначения (назовем его условно № 0). Его назначение было простым — понять, как вообще работает в целом весь механизм паровой установки и в каком направлении нужно доводить паровой двигатель и агрегаты. Автомобиль мог работать на швырках (неколотых дровах размерами до полуметра) с рабочей влажность 35%.
В мае 1949 года группа создателей из НАМИ Ю. Шебалин, Н. Коротконошко, Г. Терзибашьян, А. Аникеев и др. получили авторское свидетельство на свой паровой двигатель, который работал на низкокалорийном топливе. На малых оборотах двигатель развивал крутящий момент до 240 кгм, т.е. в пять раз больше дизельного МАЗ-200. Паросиловая установка повышенного давления была снабжена водотрубным котлом с естественной циркуляцией и паровым двигателем однократного расширения. Котловое давление составляло 25 атм., температура перегретого пара составила 420 град.
Цикл всей установки был замкнутым с конденсацией отработавшего пара.Одной заправки дровами было достаточно чтобы проехать 80 км пути, а при наличии воды – в два раза больше. С помощью эжекторов автомобиль легко и быстро заправлялся водой прямо из естественных водоемов. Какая при полном нагреве котлов была температура в кабине — не уточнялось.
В конце 1949-го и в середине 1950-го годов были изготовлены «официальные» образцы НАМИ-012 под № 1 и № 2. Первый представлял собой грузовик с ботовой платформой, или как тогда говорили «транспортный вариант», второй — в виде тягача-лесовоза с прицепом-коником. Обе машины получили цельнометаллические кабины, которые были более плоскими и смещенными вперед, чем у прототипа НАМИ-012. Вместо коробки передач в кабине был установлен рычаг переключения отсечек парораспределительного механизма. Предусматривались три положения передней передачи (при 25%, 40% и 75% наполнения цилиндра) и одной задней. Педалей в кабине было три, как обычно, но сцепление требовалось выжимать только для включения понижающей передачи. НАМИ-012 работал очень тихо и плавно.
Государственные испытания автомобилей НАМИ-012 начались 2 ноября 1950 года и закончились 25 августа 1951 года. Кстати, к 1950 году в мире давно уже прекратился выпуск каких-либо автомобилей с паровыми двигателями.
На основании испытаний комиссия выдвинула заключение о том, что у машины хорошая проходимость в груженном состоянии, но возникают проблемы когда она порожняя. Проходимость автомобиля затруднялась из-за перегрузки передней оси. Комиссия постановила продолжить работы, а автомобиль сделать полноприводным либо трехосным с задней ведущей тележкой. После испытаний 1951 года направления по дальнейшей модернизации паромобилей разделились. Лесовозы и бортовые автомобили были разведены по разным классам.
НАМИ-018
В 1952 году приступили к постройке модификации НАМИ-012 с колесной формулой 4×4. Изменения коснулись не только переднего моста, который был взят от ЯАЗ-214, так же на машину установили раздаточную коробку. Паровой двигатель был форсирован и мог выдавать уже 125 л.с.
НАМИ-018 в окончательном варианте. На фото отчетливо виден передний ведущий мост. 1953 год.
Межведомственные эксплуатационные испытания новой машины начались в 1953 году и проводились вплоть до конца 1954 года.
Не смотря на многие преимущества, минусов в конструкции паромобиля было больше, чем плюсов. На сто километров пути уходило от 350 до 450 кг дров. В холода еще и сливать воду (200 литров!) на ночь, чтобы она не превратилась в лед, а утром опять заливать.
НАМИ-0125
Это еще не эпилог. В институте все-таки замахнулись на то, чтобы привести показатели парового и дизельного автомобилей к одному знаменателю. Я имею ввиду неизвестный, даже в узких кругах, автомобиль НАМИ-0125.
В 1951 году под руководством В. Лялина группа инженеров работала над перспективной версией парового автомобиля, работающим как на твердом, так и на жидком топливе. Под индексом НАМИ-0125 был изготовлен паровой грузовик, представляющий собой модернизацию о НАМИ-012.Задачей опытного образца было сближение по всем показателям к стандартному дизельному МАЗ-200. Надо сказать, что на первом этапе с этой задачей автомобиль справился. Грузоподъемность автомобиля была увеличена до семи тонн. Но не решили одну важную задачу – снижение расхода топлива. Для этого нужно было поднять давление в котле до 41 атм., что сделано не было по ряду технологических причин.
На втором этапе автомобиль с другой установкой — НАМИ-012Б — должен был работать уже не на твердом топливе (дрова), а на жидком топливе (мазут), что позволило бы автоматизировать процесс в условиях движения автомобиля, избавиться от езды с большим запасом дров и постоянного отвлечения водителя на управление паросиловых агрегатов. В общем, вопрос с простотой обслуживания автомобиля был ключевым в судьбе паровых автомобилей. Машину освободили от ряда агрегатов, а главное от котла и топливных бункеров. Вес паросиловой установки вместе с кабиной равнялся 1635 кг, а высвобожденное место в кабине отдали под второй ряд сидений. Первый ряд сделали двухместным, чтобы удобней было проходить на задний ряд. При успешной реализации второго этапа, автомобиль имел полное право на крупносерийный выпуск и составил бы, в первую очередь, экономическую конкуренцию семитонным грузовикам с ДВС. НАМИ-012Б так и не вышел из стадии ходового макета. Довести до ума комплекс паровой установки для работы на жидком топливе конструкторам не удалось.
Эпилог
Среди архивных фотографий можно различить шесть вариантов бортовых автомобилей и три лесовоза. На самом деле было задействовано пять разных шасси. Одна и таже машина имела промежуточные варианты, т.к. паромобили постоянно меняли свою комплектацию в зависимости от программы испытаний.
В 1954 году закончились испытания автомобилей НАМИ-012 и НАМИ-018. Заключительный вердикт комиссии был таков: «Паровой автомобиль НАМИ-018 отвечает всем параметрам лесной промышленности, но может быть использован только в районах, куда доставка жидкого топлива затруднена или высока по стоимости». Несмотря на лестные выводы комиссии, у этих нестандартных автомобилей не было шансов стать серийными. В это же время в Советском Союзе свернули окончательно выпуск газогенераторных автомобилей. Начался нефтяной бум и, соответственно, в стране наступила эра дешевого бензина. Автомобили, работающие на альтернативном топливе, оказались невостребованными.
Будем опираться на современные реалии (цены). Промышленный район, Кузбасс. Может, данный грузовик рентабелен не только там, где рекомендует комиссия по итогам испытаний. Ее мнение: «Паровой автомобиль НАМИ-018 отвечает всем параметрам лесной промышленности, но может быть использован только в районах, куда доставка жидкого топлива затруднена или высока по стоимости»
Паровые автомобили СССР Паровые автомобили, СССР, автомобили
Любопытно, что отношение солярка/уголь сейчас 22,5/1 а в 30-х 20-ого века бензин/уголь – 23.75 ссылка. То есть эти соотношения довольно стабильны по времени.
Любопытно, что отношение солярка/уголь сейчас 22,5/1 а в 30-х 20-ого века бензин/уголь – 23.75 ссылка. То есть эти соотношения довольно стабильны по времени. Считаем энергозатраты
Ну все, можно откладывать счеты в сторону. Удельный расход топлива выше в 11.7 раз, а расход энергии – в 4.3 раза! Если принять реальный КПД дизеля 20 %, то у данного автомобиля — 4.5 % Одно слово – паровоз… Да еще с очень низким КПД, намного меньшим чем даже у нормальных паровозов (неудивительно, если учитывать специфику применения). Отстой, дедовская техника, а данный паромобиль – всего лишь недоразумение, чудачества чудоковатых сталинских инженеров. Недаром при хорошем перестройщике Хрущеве про это все быстро забыли. Но… Не будем спешить. Посчитаем затраты. Причем на современных ценах.
Несмотря на то, что паровик настолько неэкономичен энергетически, использование его выгоднее в денежном плане в 3.2 выгоднее, если паровик работает на дровах, и в 2.5 раза выгоднее, если паровик перевести на уголь! И это промышленный регион. Вероятно, мысль Менделеева, насчет «топить печи ассигнациями» имеет под собой основания.
А если посчитать труднодоступные районы, и принять цену солярки 45 руб/л (из-за трудностей доставки) то соотношение затрат вообще будет 4.5 раза.
Так что, если верить расчетам использование паромобилей (образца НАМИ) сейчас было выгодно было бы даже в промышленных районах, не говоря про удаленные районы.
Использование же подобной техники в Сибири вообще очень обоснованно! Дело в том, что многие промыслы в Сибири сезонны (золотодобыча и т.д.), только коротким летом. Это обуславливает вахтовость работы. Если же работать на основном промысле летом, а зимой (самый сезон для лесозаготовок) добывать топливо, то это позволит работать круглый год. Дешевизна парового транспорта позволит резко расширить размеры и размах различных промыслов. Территория станет не просто препятствием, она станет базой. То есть перейти от «вахтового» освоения, к нормальной колонизации. Если нагрузка на лесные ресурсы станет слишком большой, в дополнение можно перейти и на угольные ресурсы для транспорта.
Немного истории
В 1906 году паровой автомобиль фирмы Stanley установил рекорд скорости — 205,5 км/ч (127.659 миль/час). Стоит отметить, что в следующем году рекорд пытались побить снова, но автомобиль потерпел аварию из-за неровностей трассы. Модель 1907 года проезжала на одной заправке водой 50 миль. Необходимое для движения давление пара достигалось за 10-15 минут от запуска машины. Это были любимые машины полицейских и пожарных Новой Англии. 14 мая 1913 года в гонках по Санкт-Петербургу, на Волхонском шоссе, преодолена скорость 202,1 км/ч. Русская автогонщица Римская-Корсакова разогнала автомобиль до 110 км/ч.
Самая высокая скорость для паровых автомобилей была достигнута в августе 2009 года болидом, разработанным группой британских инженеров. Средняя максимальная скорость нового болида в двух заездах составила 139,843 мили в час, или 223,748 километра в час. В первом заезде болид развил скорость 136,103 мили в час (217,7 километра в час), а во втором — 151,085 мили в час (241,7 километра в час). Паровой автомобиль оснащён 12 котлами, в которых вода нагревается за счёт сгорания природного газа. Из котлов пар под давлением, со скоростью в два раза превышающей скорость звука, подаётся в турбину. В минуту в котлах испаряется около 40 литров воды. Общая мощность силовой установки составляет 360 лошадиных сил.
Преимущества паровых автомобилей.
«Всеядность» двигателя — Как и для локомотивов, основным преимуществом паровых автомобилей является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга, которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей. Как все двигатели внешнего сгорания (вернее — внешнего подвода тепла), двигатель может работать от почти любого перепада температур, угольной или дровяной печи и т. д.
Простота конструкции — конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач.
Увеличенный ресурс — простота конструкции, отсутствие многих «нежных» агрегатов позволяет обеспечить небывалый для других двигателей ресурс в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.
Экономичность — Современные тепловые машины на пару иногда дают больший КПД, чем даже карбюраторные машины (до 34 %),
Бесшумность двигателя — тепловые машины на пару не имеют выхлопа, а значит машина не шумит.
Экологичность — сам по себе двигатель не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью источника тепла. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания.
Одним из главных преимуществ широкого использования двигателей внешнего сгорания является ослабление зависимости экономики стран импортёров нефтепродуктов от непредсказуемости действий иностранных поставщиков жидкого топлива.
В США военной Совещательной комиссией Центра консультативного анализа Морского Флота было определено, что
«Наша зависимость от иностранной нефти сокращает наше международное влияние, приводит к военному вмешательству в опасных регионах мира, финансирует те страны и лиц, которые хотят причинить нам вред, и ослабляет нашу экономику, наша зависимость и неэффективное использование нефтепродуктов также подвергает опасности наши войска»
Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов.
В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) 1930-х годов со множеством современных усовершенствований: использования роликовых подшипников, современной теплоизоляции, сжигания в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенных паропроводов, и т. д. В результате такие паровозы имеют на 60 % меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами.
Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл) от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более. Тепловая электростанция с пароперегревателем и регенеративным водоподогревом может достичь КПД 30 — 42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать коэффициента полезного действия 50 — 60 %. Несмотря на то, что на данный момент парогазовый цикл используется на крупных энергетических объектах, в компании BMW сделали предположение о возможности использования его в автомобилях. Предполагается использовать выхлопные газы автомобиля для работы небольшой паровой турбины.
Одной из наиболее современных разработок в этом направлении является британский радиальный паровой двигатель «Циклон Марк 5» (Cyclone Mark V Steam Engine) использованный для установления мирового рекорда скорости в 2009 году — при весе в 152 кг он развивает 100 л.с. и имеет КПД в 34 %. Разработчики указывают на такие преимущества, как надежность, чистота выхлопа из-за плавности горения топлива, простота и дешевизна производства по сравнению с дизельным двигателем той же мощности.
Во многих отраслях промышленности (угольная, торфодобывающая, сельскохозяйственная) существует ситуация, когда дешевое, низкокачественное, твердое топливо используется для различных хозяственных нужд, таких как отопление, сушка сырья и тому подобное. Только в США количество биомассы, которую потенциально можно использовать в качестве автомобильного топлива, достигает миллиарда тонн в год, однако в настоящий момент правительственные программы по большей части направлены на разработку технологии производства жидкого синтетического топлива из биомассы (а именно этанола и биодизеля), что по большей части приводит к расходу средств на государственные субсидии и подорожанию продовольствия, в то время когда использования синтетического твердого топлива (опилочных гранул) ограничено по большей части лишь отоплением.
В Индии ежегодно выращивается около 80 миллионов тонн бамбука. Правительство Индии учредило Национальную Миссию Бамбуковых Приложений (NMBA). С 1996 по 2006 годы в Индии была построена 101 электростанция, работающая на биомассе, суммарной мощностью 750 МВт. Всего в Индии ежегодно выращивается более 540 миллионов тонн различных растений, большая часть которых в настоящее время не утилизируется.
Багасса сахарного тростника используется в Бразилии в качестве топлива на электростанциях. В 2000 году в Бразилии было производено около 50 миллионов тонн багассы. В 2001 году в Бразилии на багассе работали электростанции суммарной мощностью 1350 МВт.
В условиях резкого повышения цен на нефтепродукты и возникшим ножницам цен между жидким и твёрдым топливом эти отрасли могут быть заинтересованы в разработке современных экономичных паровых машин, как для производства электроэнергии для своих нужд, так и для использования их в качестве двигателей, возможно в гибридных двигателях. Однако в настоящее время культура эксплуатации паровых двигателей по большей части уже давно утеряна и производители паровых машин давно перешли на производство ДВС. Так что скорого возникновения на рынке современных компактных паровых машин ожидать не приходится.