История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

В 1900 году Вильгельм Шмидт из Германии изобрел устройство для перегрева пара, чрезвычайно важное для стационарного производства энергии. Шмидт пропускал насыщенный водяной пар через небольшие трубы, которые он встроил в газоходы котла, и превращал насыщенный пар в перегретый. Максимальное давление пара в энергетических установках локомотивов в 1900 году составляло около 200 фунтов. В XX веке давление увеличилось, но в середине века, как правило, не превышало 250 фунтов и только изредка достигало 300 фунтов. Такие значения давлений намного ниже, чем на стационарных станциях, и ограничиваются котлом локомотива. Температура насыщенного пара повышается с ростом давления. Таким образом, повышенное давление означает более высокую температуру пара, а перегрев поднимает температуру еще выше. Главный ограничитель мощности на выходе угольного локомотива с ручной топкой – количество угля, которое кочегар может в нее забросить лопатой. Постоянное открывание дверцы топки, без которого обойтись нельзя, означает доступ в нее холодного воздуха и приводит к значительному снижению эффективности. Механическая топка и сжигание нефти устранили эти недостатки и увеличили мощность локомотива в четыре раза. Другие мелкие усовершенствования рабочих деталей парового локомотива сообща удвоили его эффективность в XX веке, однако максимальные 8 процентов даже при благоприятных условиях – все еще очень низкое значение по сравнению с паровой турбиной стационарных электростанций или двигателем внутреннего сгорания. Один из первых удачных локомотивов, работавший на нефти, – это «Петролия», построенная в 1886 году в Англии. К 1900 году уже несколько американских железных дорог перешли на нефть, однако доля американских локомотивов, работавших на нефти, никогда не превышала 15 процентов.

Рис. 12.3. Первый американский грузовой электровоз. Ансония, Коннектикут

Уличные электрические железные дороги начали работать в 1880-х годах и первые четверть века развивались очень быстро. Первый американский электрический грузовой локомотив работал на путях уличной электрической железной дороги Ансонии, Дерби и Бирмингема (Коннектикут) в 1888 году – тогда было устроено соревнование с паровой железной дорогой (рис. 12.3). В целом не было ничего необычного в том, что электроэнергия пришла на помощь, чтобы решить проблемы паровых железных дорог. С 1895 года железная дорога, соединившая Нью-Йорк, Нью-Хейвен и Хартфорд, использовала электричество на одной из своих веток, ведущей к Нантаскет-Бич (рис. 12.4). Это была первая электрифицированная паровая железная дорога в США. Позднее в том же году на железной дороге Балтимор – Огайо был электрифицирован участок в 1,5-мильном тоннеле в районе Балтимора (рис. 12.5), чтобы ликвидировать едкий дым и перегрев. В течение следующего десятилетия были электрифицированы многие американские железные дороги. Вначале между инженерами разгорелись яростные дискуссии относительно достоинств и недостатков постоянного и переменного тока для железнодорожных локомотивов и моторных вагонов, так же как раньше инженеры не могли договориться относительно лучшего метода распределения электроэнергии для коммерческого и домашнего использования в городах.

Рис. 12.4. Первая электрифицированная железная дорога в Соединенных Штатах, 1895 г.

Передача переменного тока, принятая в США для тяги, велась при напряжении 11 000 вольт и частоте 25 циклов в секунду, а постоянный ток передавался при напряжении 600, 1500 и 3000 вольт. В Европе передача переменного тока ведется при 15 000 вольт и частоте 15 или 16⅔ цикла в секунду, а постоянного тока – при 600 или 1200 вольт. Если напряжение передачи больше 600 вольт, необходимо устанавливать воздушные провода или прокладывать третий рельс.

В США было только 2 процента главных железнодорожных магистралей электрифицировано, но в других странах, где топлива мало, и особенно в тех районах, где доступна гидроэлектроэнергия, электрификация железных дорог распространилась значительно шире. И если электрификация железных дорог в США не распространилась так широко, как в Европе, самая масштабная в мире электрификация паровой железной дороги была выполнена в 1935 году именно в Соединенных Штатах. Речь идет о Пенсильванской железной дороге, точнее, о ее линиях, связывающих Нью-Йорк с Филадельфией, Вашингтоном, округ Колумбия, и Гаррисбергом, Пенсильвания, где электрифицированные пути имели длину 2228 миль и покрывали 664 мили дороги. Электровозы можно было использовать одновременно по два или больше под контролем одного машиниста.

Рис. 12.5. Электровоз, тянущий поезд по железной дороге Балтимор – Огайо, 1895 г.