Двигательная установка пароходофрегата «Владимир», часть 2

В процессе обсуждения предыдущей статьи был получен целый ряд критических откликов, с разных сторон опровергавших полученные результаты. Большинство их них были весьма разумны и обоснованы фактическими данными из смежных технических отраслей, поэтому ясно обрисовалась необходимость рассмотреть эти замечания максимально внимательно и объективно.

Возражение №1. Мощность паровой машины в источниках указана нарицательная (номинальная), а не индикаторная.

На самом деле, такая проблема интерпретации исторических сведений имеет место быть. Для одних транспортных средств (судов и паровозов) указывают одну мощность, для других обе, а в большинстве случаев – не уточняют, что именно указано. Например, в источниках про пароходофрегат «Бессарабия» (и трех его систершипах), говорится, что 260 л.с. – это как раз номинальная суммарная мощность машины (двух цилиндров). Поскольку водоизмещение «Бессарабии» было 1305 т и скорость под парами 9 уз, а у ПФ «Владимир» в достоверных источниках указаны 1720 т, то логично предположить, что если в первом случае было 260 л.с. номинальных, то и на «Владимире» 400 л.с. при 11 уз – тоже номинальные (получается правдоподобное соотношение водоизмещений, мощностей и скоростей). Значит, расчет, изложенный в первой части требует проверки.

Тут надо разобраться, что же имелось в виду под нарицательной (номинальной) мощностью паровой машины в первой половине ХIХ века.

В свое время Уатт, создав паровую машину, работающую на избыточном давлении пара, был очевидным образом озадачен, как выразить эффективность своего детища в каких-нибудь конкретных и общепонятных попугаях. Именно тогда появляется та самая условная сферовакуумная лошадиная сила, как единица измерения мощности (паровая машина сравнивалась с наиболее часто используемым в то время аналогом - конным приводом водоподъемных устройств на шахтах). Конструкция и технические возможности котлов накладывали целый ряд ограничений на максимальные параметры пара и в итоге родилась некая эмпирическая формула расчета номинальной мощности паровой машины при «обычных» параметрах пара и текущих ограничениях линейной скорости движущихся частей («синтетику» тогда еще не изобрели и проблемы смазочных материалов – это вообще отдельная история, особенно про массовое истребление китов во второй половине XIX века).

В итоге, первые десятилетия эпохи пара мощность на практике считали по такой формуле:

N = S * 7 * 220 / 33000

Где N – мощность в британских лошадях 745,7 Вт, S – площадь поршня/цилиндра в квадратных дюймах, 7 – давление в цилиндре фунтов силы на квадратный дюйм (чуть менее 0,5 атм), 220 – скорость поршня в футах в минуту, а 33000 – коэффициент приведения всего этого к лошадям.

Вот эта формула и показывала номинальную мощность паровой машины. То есть такую мощность, какая была бы, если бы параметры внутри машины были традиционными для весьма продолжительного первоначального периода развития паровой тяги конца XVIII – первой четверти XIX века. В тексте, скопированном в педевикию из какой-то хорошей книжки хорошо сказано, что такой метод расчета для специалистов говорил о конструкции машины больше, чем не устоявшаяся еще методика измерение индикаторной мощности.

Формула простая и понятная. Давайте посчитаем.

Значит, если общая N = 400 л.с., делим на 2 цилиндра…

S = N/(7*220)*33000 = 4286 кв. дюйма, делим на Пи, корень, умножаем на 2, диаметр цилиндра = 73,9 дюймов, переводим в футы (/12) = 6,15 футов. Оп-па:

А очень похоже на правду! В габариты цилиндра вполне вписывается, с учетом всяческих разумных погрешностей чертежей и расчетов. Вывод очевиден – указываемая в исторических источниках мощность машины "400 сил" – это как раз номинальная (нарицательная) мощность.

Ну что же, это тоже полезный результат – теперь известен реальный диаметр цилиндра, который можно учесть в расчете.

Возражение №2. Неправильная скорость вращения колес (т.е. скорость поршня)

В вышеуказанной эмпирической формуле используется линейная скорость движения поршня 220 футов в минуту. 

В прошлом блоге по замеру на чертеже диаметра колес и проскальзыванию их на максимальной скорости была принята частота вращения 20 об/мин, длина хода поршня 6 футов, то есть 20*6*2 (туда и обратно за цикл) = 240 футов/мин. 

То есть скорость совершенно адекватная с обоих сторон – она соответствует номинальной, стандартной скорости, принятой для классической формуле и одновременно соответствует типичной скорости вращения гребных колес. А небольшое отклонение вверх можно считать техническим прогрессом. Поэтому по скорости корректировка не требуется.

Возражение №3. Слишком низкое давление, потому что тогда же на паровозах было больше

Я действительно упустил тот момент, что в 40-50-х годах XIX века на серийных паровозах (в первую очередь – американских) были освоены сравнительно высокие давления пара, порядка 8-9 атм (избыточных). Однако, на практике это не оказало в тот период существенного влияния на судовые паровые машины. 

Ранее уже писал и повторюсь – есть у меня еще такое ощущение, что в то время было 2 момента - организационный и технический.
1. Морское ведомство жило по своим законам и пренебрежительно относилось к сухопутным коллегам. Общеизвестная кастовая вражда между моряками и арнаутами, и уж совсем не к ночи будут помянуты жандармы. В смысле, они не имели желания и не стремились перенимать свежий прогрессивный опыт. Британское Адмиралтейство когда-то сказало, что должно быть не выше 1,5 атм в котле – вот и все, никаких сусликов.
2. На самом деле условия эксплуатации наземных железнодорожных котлов и морских судовых существенно отличаются. Котломашинная установка парохода должна иметь большую мощность и запас надежности для плавания на протяжении нескольких суток, при этом с непостоянным режимом работы. А у паровозов и мощность чуть ли не на порядок меньше, и необходимый запас хода (то есть и по сути межремонтный пробег) - максимум единицы сотен км. То есть они могут быть намного более навороченные и энергонапряженные, но при этом более нежные, скажем так. А для корабельных ГЭУ это недопустимая роскошь.

Можно потратить время и собрать примеры судовых котлов из различных источников, но на мой взгляд достаточно учебника для вузов для специальности «Эксплуатация судовых энергетических установок» (ссылка будет в конце). Вот цитата оттуда по поводу причин, сдерживавших максимальное давление в судовых котлах (стр. 11): 

Использование морской воды для питания котлов приносило в несколько раз больший вред, чем питание их пресной речной водой. Были выполнены работы по изучению влияния накипи на работу котлов (перегрев и падение прочности котельных стенок, рост потерь с уходящими газами, перерасход топлива. Практикой было выявлено допустимое нарастание слоя накипи на такую толщину, чтобы температура стенки металла могла превышать температуру воды в котле не более, чем на 100 и в крайнем случае на 200 °С. Реальные меры борьбы с накипеобразованием оказались: механическая очистка поверхностей нагрева и нижнее и верхнее продувание. Наиболее вредной составляющей частью солей морской воды считался гипс, который выделяется при температуре 144 °С. Для уменьшения выпадения гипса из котловой воды температуру в коробчатых и цилиндрических котлах не доводили выше 138 °С (это соответствовало давлению в котле 0,35 МПа).

Далее там делается обзор типичных паровых котлов второй четверти XIX века – лабиринтных, галерейных, коробчатых, а так же локомотивных, построенных по идеологии железнодорожных аналогов. В конце этого периода появляются первые образцы водотрубных котлов. Однако, во всех приведенных примерах давление в котле не превышает 0,22 МПа (2,2 атм). При этом, в учебнике весьма подробно описаны особенности работы, преимущества и недостатки различных видов котельных установок.

Таким образом, фактические данные и теоретические выкладки прямо говорят о том, что реальные параметры пара в судовых паровых котлах ПФ «Владимир» постройки конца 1840-х годов, причем «эспортного исполнения», вполне соответствуют рассчитанному уровню 1,5 атм (избыточных).

Теперь по разнице диаметров поршня (принятому ранее и найденному по номинальной мощности) можно оценить индикаторную мощность паровой машины ПФ «Владимир». Она будет пропорциональная квадрату разницы диаметров поршня в футах: 

(6,15/5,5)²=1,25, то есть 400*1,25 = 500 л.с.

где 5,5 футов - принятое на глаз в первой части.

В принципе, это адекватно разности номинальной и индикаторной мощности судовых паровых машин первой половины XIX века (см. таблицу в https://en.wikipedia.org/wiki/Horsepower).

Вот исходя из этих результатов можно развивать дальнейший безудержный полет фантазии…

Использованная литература:

РАЗВИТИЕ КОНСТРУКЦИИ СУДОВЫХ ПАРОВЫХ КОТЛОВ. Часть 1 https://lib.sevsu.ru/xmlui/bitstream/handle/123456789/6834/p_070015.pdf?sequence=1&isAllowed=y

PS. Помидороприемник стоит рядом и всегда готов к конструктивной критике )))