Устройство паровой машины: из чего состоит знаменитая машина из стимпанка26.12.2021 14:35

В стимпанке автор не может сослаться на искусственный интеллект, беспроводные технологии и изобретения будущего тысячелетия. Все конструкции должны быть выставлены на всеобщее обозрение и подчиняться простым законам механики, за каждое малейшее движение должен отвечать свой привод, рычаг, вентиль. С помощью художника И-Вей Хуанга мы разобрались, какие конструктивные элементы присутствуют в каждой паровой машине, для чего они служат и как работают.

Принцип действия котла в паровой машине таков: в герметичном котле кипит вода, образуется пар и накапливается необходимое для работы двигателя давление. Внутри большинства котлов имеются жаровые трубы. Горящий внутри них огонь помогает воде быстрее нагреваться и выделять больше пара.

Размер котла должен соответствовать мощности двигателя, чтобы обеспечивать необходимое давление пара. Слишком большой котел в устройстве паровой машины неэффективен — зачем греть лишнюю воду, тратить драгоценное тепло, чтобы потом стравливать большую часть пара регулятором скорости? Если же котел мал, а поездка предстоит далекая, воду можно запасти в отдельном баке с насосом.

Для нормальной работы двигателя котел должен быть всегда наполнен водой минимум на три четверти. Индикатор уровня может представлять собой застекленное смотровое окно, проделанное прямо в стенке котла, или же прозрачную трубку, выведенную наружу по принципу сообщающихся сосудов.

Вот схема устройства паровой машины: 1 — поршень; 2 — шток поршня; 3 — ползун; 4 — шатун; 5 — коленчатый вал; 6 — эксцентрик для привода клапана; 7 — маховик; 8 — золотник; 9 — центробежный регулятор. Автор: Panther

Крайне необходимый элемент в конструкции паровой машины — клапан, который выпускает пар, когда давление внутри котла становится слишком большим. Отсутствие или неисправность предохранительного клапана могут закончиться взрывом котла. Клапан располагается в верхней части котла — нам нужно стравливать пар, а не воду. Пар, выходящий через клапан, может быть направлен в дымоход.

Жизненно необходимый аксессуар в устройстве паровой машины. Свисток помогает узнать, есть ли давление в котле, стравливает лишний пар при необходимости, распугивает зевак и, конечно, отлично выглядит.

Паровые трубы выходят из верхней части котла — ведь в его нижней части кипит вода. Иногда «паропровод» вновь возвращается в котел, чтобы пройти сквозь жаровые трубы в виде змеевика. Такое устройство называется «пароперегреватель» (superheater). Пароперегреватель дополнительно увеличивает давление пара в трубах паровой машины, а также уменьшает вероятность конденсации влаги в двигателе.

Как в печке или камине, в устройстве паровой машине дымоход служит для вентиляции огня, который горит в топке и кипятит воду в котле. Дымоход может быть практически любого размера и формы. Иногда внутрь дымохода заводят выходную трубу с отработавшим паром от двигателя или прямо от котла, через клапан. Выход пара под давлением создает разрежение внутри дымохода, способствуя дополнительной воздушной тяге.

Чтобы преобразовать воду в пар, в топке можно сжигать все, что хорошо горит, — уголь, дрова, газ, керосин. Подача топлива должна регулироваться, обеспечивая точный контроль над мощностью двигателя. В случае с газом и жидким топливом с регулировкой отлично справляются вентили и клапаны, когда же речь идет об угле или дровах, роль клапана приходится исполнять кочегару. 

Для каждого вида топлива необходимо предусмотреть хранилище в конструкции паровой машины — баллон для газа, бак для керосина, контейнер для угля. Кроме того, интенсивность горения можно регулировать, изменяя подачу воздуха. Для этого в конструкции есть воздушные заслонки.

Паровые двигатели могут иметь разное количество цилиндров разной конфигурации. Цилиндр — это главный элемент мотора, он скрывает поршень, который перемещается под давлением пара. Рядом с цилиндром в конструкции паровой машины располагается коллектор — клапан, который поочередно направляет пар с разных сторон поршня. И поршень, и коллектор соединяются с коленчатым валом практически одинаковыми шатунами. На коленчатом валу обязательно располагается тяжелый маховик. Он делает работу двигателя более плавной и исключает остановку в мертвой точке.

Этот небольшой цилиндрический резервуар, как правило, располагается рядом с коллектором на паровой трубе и обеспечивает двигатель смазкой. Вместе с паром масло постепенно попадает в коллектор и цилиндр паровой машины. В некоторых случаях лубрикатор оснащается ручным насосом.

Важный элемент в устройстве паровой машины — центробежный регулятор. Интересно, что это устройство служит для управления расстоянием и давлением между жерновами ветряных мельниц Начиная с XVII века.

Самый эффектный приборчик в устройстве паровой машины ограничивает обороты двигателя. Повинуясь центробежной силе, тяжелые металлические шарики поднимаются тем выше, чем быстрее вращается «карусель», и увлекают за собой коромысло, открывающее клапан. Как только скорость достигает установленного значения, клапан стравливает давление пара, не давая двигателю развить более высокие обороты. Чтобы работать правильно, регулятор должен стоять строго вертикально.

Конденсатор улавливает отработанный пар, содержащий масло. Масло конденсируется вместе с водой, а наружу выходит чистый пар. Конденсатор не обязателен для работы двигателя, он заботится, скорее, об экологии и чистоте лиц пассажиров. Затем отработанный пар может выводиться по трубам в дымоход — тогда белые облака будут исходить прямо из основной трубы. Как вариант, с помощью конденсатора можно пополнять запасы воды, увеличивая тем самым запас хода.

Манометр — классический и очень эффектный элемент в схеме устройства паровой машины. Манометры могут располагаться в разных местах, показывать давление пара в котле и других частях системы. Чем больше стрелок — тем внушительнее выглядит машина.

В XIX веке теплоизоляция чаще всего применялась на судовых двигателях, чтобы минимизировать потери тепла. Изолировать можно котел, паровые трубы, цилиндры двигателя. Самая эффектная теплоизоляция — дерево. Оно придает паровой машине характерный старинный облик.

Разнообразные шестеренки — это символ всего механического, от часов до разводных мостов. Крутящий момент парового двигателя зачастую приходилось передавать на движитель с бóльшим передаточным отношением. Для этого в конструкции паровой машины использовались сложные комбинации шестерен разного диаметра. Чем больше зубчатых колес — тем внушительнее выглядит конструкция.

Рычаги могут делать все что угодно: открывать и закрывать клапаны, управлять сцеплениями, соединять или разъединять шестерни, притормаживать колеса. Главное, чтобы в конструкции паровой машиины их было как можно больше!