Балансирные паровые машины
Ранние балансирные паровые машины давали по 15—20 ходов в минуту. Описанное выше увеличение числа оборотов путем введения промежуточных валов имело Целью повысить равномерность вращения вала. Рост мощности требовал увеличения числа ходов поршня. К последней четверти XIX в. число оборотов вала паровых машин поднялось от десятков до сотен в минуту, особенно в связи с требованиями транспортных—судовых и паровозных машин. В паровозных машинах средняя скорость поршня Достигла величины 5—7 м/сек, во много раз превзойдя начальные значения (порядка 0,5 м/сек). Увеличение числа оборотов давало, кроме увеличения мощности двигателя и снижения металлоемкости конструкции, также некоторое повышение к. п. д. Это происходило вследствие резкого снижения потерь пара от конденсации на стенках цилиндра, которые у тихоходных машин составляли до 50% подаваемого к мащине пара. Большое значение для повышения к. п. д. паросиловых установок имело введение многократного расширения пара последовательно в двух, трех и—реже—четырех цилиндрах.
После 1800 г., когда окончился длительный срок привилегий фирмы «Уатт и Болтон», доставивших компаньонам громадные капиталы, разные изобретатели паровых двигателей получили, наконец, свободу действий. Благодаря этому были реализованы запатентованные, но не применявшиеся Уаттом прогрессивные методы: высокое давление и двойное расширение. В 1804 г. А. Вульф предложил паровой двигатель, совмещавший положительные характеристики двигателей Дж. Уатта и Дж. Горнблауэра. От первого был заимствован отдельный конденсатор, от второго—двойное расширение пара последовательно в двух цилиндрах (ЦВД и ЦНД).
Потребность в увеличении числа оборотов исходила не только от «внутренних» побуждений к увеличению к. п. д.; налицо имелся и «внешний» стимул: рост числа оборотов технологических машин, двигателей транспортных установок. От балансира стали решительно отказываться. Прицененный в Нескольки' конструкциях паровозов, он сразу же оказался неудобным и немедленно исчез- Позднее от балансира отказались и в судовых машинах. Дольше всего он продержался в стационарных установках. «Потолок» балансира был продемонстрирован в Филадельфии (США) во время выставки 1876 г. (рис. 3-18). Балансирная машина громадной по тому времени мощности в 2 500 л. с. была сконструирована известным американским конструктором Корлиссом. Корлисс достиг максимального значения К- п.д., возможного при современных ему условиях, но не увидел «завтрашнего дня» техники. Его машины, рассчитанные на насыщенный пар и небольшое число оборотов, не были в. состоянии следовать за основной тенденцией развития паротехники: парораспределительные краны Кор-лисса не могли работать при перегретом паре, а балансир— при повышенном числе оборотов. Отказ от балансира и многократное расширение пара в нескольких цилиндрах обусловили возникновение новых конструктивных форм в паровых двигателях- Двигатели Двукратного расширения стали оформляться или в виде Компаунд-машин с углом заклинения между кривошипами
Кривошипы машин тройного расширения стали заклинивать под углом 120°. Разбивка мощности на ряд цилиндров повлекла за собой повышение к.п.д. за счет использования высокого перепада давлений и уменьшения теплообмена между паром и стенками цилиндров. Эта мера была полезна также для улучшения динамики двигателя, уравновешивания движущихся масс и способствовала дальнейшему увеличению числа оборотов валов двигателей.
Большое значение для повышения к. п. д. паровых двигателей имело применение с середины XIX в. перегрева пара, на эффект которого еще в 30-х годах указывал французский ученый Г. А. Гирн. Однако и до применения перегрева пара экономичность паросиловых установок неуклонно возрастала, как это видно из кривой роста производительности на единицу затраченного топлива, представленной на рис. 3-20. Кривая обобщает данные большого числа испытанных установок в виде усредненного значения паропроизводительности; у лучших установок производительность была на 50—80% выше.
За вторую половину XIX в. сложились в основном все конструктивные формы паровых поршневых двигателей, за исключением прямоточного, предложенного немецким профессором Штумпфом в 1908 г. Были разработаны конструкции смесительных и поверхностных конденсаторов. Первые, как не требующие дополнительного места, получили преимущественное распространение в установках на речных судах (с неограниченным запасом пресной воды). Были сконструированы три принципиально различные системы парораспределительных органов: золотники, краны», клапаны, оказавшиеся более или менее целесообразными для применения в конкретных двигателях в зависимости от числа оборотов, температуры пара, режима работы и т. п. Были предложены разнообразные системы парораспределительных и реверсивных механизмов и методы их расчета. Разработка конструкций кривошипно-шатунного механизма, уплотнений, смазочных и охлаждающих систем, регулирования, использующего центробежные и инерционные усилия и т. п., имела громадное значение ие только для развития паровых двигателей. Она явилась подготовкой расчетного, конструктивного и технологического материала для освоения в будущем новых типов тепловых двигателей: паровых турбин и двигателей внутреннего сгорания.