Пароход

Первым движителем пароходов были гребные колёса. Они могли располагаться по бокам корпуса судна или за кормой, были также конструкции и с центральным расположением гребного колеса в диаметральной плоскости, в нише внутри корпуса или между корпусами судна катамаранного типа. Боковые колёса на некоторых первых пароходах располагались примерно на трети длины корпуса от носа, затем их стали устанавливать примерно на миделе. Надводная часть борта в районе расположения колёс выполнялась практически вертикальной, а спереди и сзади шпангоутам приходилось придавать большой развал, увеличивая ширину по палубе на треть от ширины по ватерлинии, чтобы хоть как-то защитить колёса от ударов волн. Все это отрицательно влияло на остойчивость и мореходность. Кормовые гребные колёса были характерны для только речных пароходов, которые не испытывали качки — при продольной качке наиболее эффективны колёса, расположенные в районе миделя (в середине корпуса).

К XX веку гребные колёса, за редкими исключениями, вытеснил технически более прогрессивный гребной винт. Гребной винт у пароходов устанавливается на одном валу с паровой машиной, таким образом, количество винтов (количество валов) показывает, сколько на корабле установлено паровых машин. У пароходов с турбиной гребной винт чаще приводится в действие через редуктор (в таком случае силовая установка называется турбозубчатым агрегатом) или через электрическую передачу. Однако на самых первых турбоходах использовались специальные тихоходные турбины, работавшие непосредственно на гребной винт. Такие тихоходные турбины используются также на современных атомных подводных лодках для снижения шумности.

Исторически первые поколения пароходов приводились в движение поршневыми паровыми машинами, работавшими непосредственно на вал гребного колеса и позднее на вал гребного винта. Особенности расположения приводной паровой машины зависело от типа используемого движителя (гребные колёса или гребной винт) и его расположения на судне. Но во всех случаях паровая машина как самая тяжёлая часть судна с самого начала располагалось в районе миделя. В корпусе парохода с бортовыми гребными колёсами тяговая паровая машина могла быть расположена как поперёк (как правило), так и вдоль корпуса. В корпусе парохода с кормовым гребным колесом или с гребным винтом паровая машина всегда располагалась продольно. Собственно, продольное расположение паровой машины оказалось более технологичным и надёжным, что наряду с появлением гребных винтов и обусловило довольно быстрое исчезновение из морских флотов пароходов с бортовыми гребными колёсами. Именно сочетание продольного расположения паровой машины и использования гребного винта сделало возможным довольно быстрый рост водоизмещения пароходов во 2-й половине XIX и первых десятилетиях XX веков.

Паротурбоход «Турбиния», судно, построенное в 1894 году Чарлзом Парсонсом

Появившиеся в начале XX века паротурбинные двигательные установки по удельному весу получились намного более лёгкими и при этом подняли доступный паровым судам предел скорости, — обладали сравнительно большой удельной мощностью. В отличие от паровой машины паротурбинная установка из-за сравнительно малого (в сравнении с паровой машиной) веса могла уже быть расположена как в районе миделя, так и ближе к корме. В последнем случае приводной гребной вал, на который работает паровая турбина, укорачивается, что повышает надёжность всей судовой двигательной установки. Пароходы с паротурбинной двигательной установкой принято называть паротурбоходами. В настоящее время подавляющее большинство эксплуатируемых пароходов и все без исключения строящиеся пароходы — паротурбоходы.

КПД пароходов с паровой машиной (построенных в 1950-е годы) составляет 20—25 %, у турбоходов — 30—35 %.

Парогенератор — неотъемлемая часть двигательной установки любого парохода. Парогенераторы неатомных пароходов в качестве топлива используют уголь или мазут. На атомных пароходах парогенератор получает тепло от бортовых ядерных реакторов.

Следует, правда, заметить, что не каждый атомоход есть разновидность парохода. Например, если на атомоходе паровая турбина вращает в действие тяговый электрогенератор, питающий тяговые (гребные) электродвигатели, то такой атомоход получается уже атомным (паро)турбоэлектроходом.

Энергию пара для придания телу движения предлагал использовать ещё Герон Александрийский в I веке н. э. — он описал и, возможно, создал примитивную безлопастную центробежную паровую турбину — «эолипил».

Существует мнение, что первый пароход был построен Дени Папеном, изобретателем парового котла с предохранительным клапаном («папинов котёл»). В 1690 году он описал замкнутый термодинамический цикл парового двигателя, но саму машину не построил. В 1705 году получил от Лейбница эскиз и описание паровой машины Томаса Сэвери для поднимания воды (1698 года), что вдохновило его на новые работы. В 1707 году совершил путешествие по реке Везер (Германия) на сконструированной им колёсной лодке, которая, по одним сведениям (в частности, в публицистической статье Якова Перельмана в журнале «Техника Молодёжи» за февраль 1937 года) приводилась в движение мускульной силой, по другим — паровой, что кажется маловероятным. Лодка была разрушена местными озлобленными лодочниками.

Существует версия, что в 1736 году английский инженер Джонатан Халс спроектировал судно с колесом на корме, приводимом в движение паровой машиной Ньюкомена и оно прошло испытание на реке Эйвон. Однако никаких доказательств этого не сохранилось, и, с учётом веса конструкции и масштабов потребления угля, испытания вряд ли могли быть успешными.

Модель «Пироскафа», сделанная автором в 1784 году
(Парижский национальный морской музей)

15 июля 1783 году маркиз Клод Жоффруа д'Аббан продемонстрировал «Пироскаф» (от др.-греч. πῦρ (pýr) — огонь и σκάφος (scaphos) — судно) — первое достоверно задокументированное судно, приводимое в движение горизонтальной одноцилиндровой паровой машиной двойного действия, вращавшей два гребных колеса, расположенных по бортам. Демонстрация проходила на реке Сона (Франция). Судно прошло около 365 метров за 15 минут (0,8 узла), после чего двигатель сломался. д’Аббан продолжать опыты не стал. Нарицательное название пироскаф во Франции и некоторых других странах, в том числе России, долгое время использовалось для определения парового судна, парохода. Во Франции и по сей день термин pyroscaphe является синонимом для обозначения парохода .

В 1787 году американский изобретатель Джеймс Рамси продемонстрировал на реке Потомак лодку, приводимую в движение водомётным движителем, использовавшим энергию пара.

Его соотечественник Джон Фитч в том же, 1787 году, на реке Делавэр продемонстрировал своё первое паровое судно «Perseverance» («Настойчивость»), приводимое в движение двумя рядами вёсел, работавшими от паровой машины. Паровая машины была создана Фитчем самостоятельно совместно с Генри Фойгтом, так как Великобритания не давала разрешения на экспорт новых технологий (в том числе машины Уатта) в свою бывшую колонию.

В июне 1790 года Фитч и Фойгт построили 18-метровую паровую лодку с оригинальным движителем в виде вёсел, которые повторяли гребные движения ног утки. Эта лодка в течение лета 1790 года осуществляла рейсы между Филадельфией и Берлингтоном, Нью-Джерси перевозя до тридцати пассажиров. За лето лодка прошла около 3000 миль. Фитч заявил, что лодка прошла 500 миль без каких-либо механических проблем. Расчётная скорость была минимум 6 миль в час при неблагоприятных условиях и максимум 7-8 миль в час при хорошей погоде. Конструкция паровой лодки Фитча была вполне удачной, однако судебные и коммерческие неудачи привели к прекращению его деятельности по эксплуатации и доработки его парового судна.

В октябре 1788 года шотландские изобретатели Уильям Саймингтон и Патрик Миллер, который также был банкиром и инвестором данного проекта, построили и удачно испытали на озере Далсвинтон-Лох, в 10 километрах от Дамфриса, небольшой колёсный катамаран, приводимый в движение паровой машиной. В декабре 1789 года они испытали уже 18-метровый катамаран с большей паровой машиной на канале Форт—Клайд, в ходе испытаний судно показало скорость 7 узлов. После этого испытания Миллер отказался от дальнейшего участия в проекте.[5]

В 1802 году Саймингтон разработал и изготовил двигатель для колёсного буксира «Шарлотта Дандес». Построенный из дерева семнадцатиметровый пароход имел мощность паровой машины 10 лошадиных сил и благополучно использовался для буксировки барж в канале Форт-Клайд. Однако владельцы канала, опасаясь, что кильватерная струя парохода повредит береговую линию, запретили его эксплуатацию на канале. В 1802 году судно было брошено хозяином и гнило до 1861 года, пока его не разобрали на материалы.

• 
  Схема «Шарлотты Дандес»
• 
  Рисунок Уильяма Саймингтона

Первый практически использовавшийся пароход создал Роберт Фултон в 1807 году. Пароход «Клермонт» (изначально назывался «North River Steamboat»), приводимый в движение гребным колесом, совершал рейсы по реке Гудзон от Нью-Йорка до Олбани со скоростью около 5 узлов (9 км/ч). Оценивая результаты этой поездки, Фултон писал своему приятелю: «Я опережал все лодки и шхуны, и казалось, что все они стоят на якоре. Теперь полностью доказана пригодность силы пара для приведения в движение кораблей. В этот день, когда я выехал из Нью-Йорка, вряд ли 30 человек поверили бы, что мой пароход пройдёт хотя бы одну милю в час. Когда мы отошли от пристани, где собралось много любопытных зрителей, я слыхал довольно саркастические замечания. Так всегда приветствуют несознательные люди тех, кого они зовут „философами“ и „прожектёрами“». После некоторых улучшений в конструкции Фултон организовал постоянные рейсы на этом речном пути.

Несмотря на то, что «отцом парохода» считается Роберт Фултон, первым в мире работающим подобным транспортным средством является судно «Шарлотта Дандес», спущенное на воду в 1801 году.

В 1819 году американское судно с гребными колёсами «Саванна» впервые пересекло Атлантический океан. Однако бо́льшую часть пути корабль миновал под парусами, каковые ввиду экономии угля ещё много десятилетий использовались на пароходах при наличии попутного ветра. Лишь в 1838 году английский пароход «Сириус» впервые пересёк Атлантический океан не задействуя паруса.

Первый винтовой пароход «Архимед» построен в 1838 году английским фермером Френсисом Смитом. С переходом от гребных колёс к гребным винтам ходовые качества пароходов сильно улучшились. Это привело к тому, что к концу XIX века такие суда практически полностью вытеснили на море парусники и своих колёсных собратьев.

Внедрение парового двигателя в военном флоте началось с построенной Фултоном паровой самоходной батареи Демологос, вступившей в строй в 1816 году. Однако внедрение парового двигателя на боевых кораблях сдерживалось несовершенством колёсного движителя, громоздкого и чрезвычайно уязвимого для противника. Также непросто обстояло дело и с размещением вооружения. О полноценной бортовой батарее уже не могло идти и речи — для орудий оставалось только относительно небольшое пространство в носовой и кормовой частях корпуса. Уменьшение числа орудий вызвало естественное желание сделать их более мощными, и военные пароходы первыми получили крупнокалиберные пушки. Но из-за этого оконечности пришлось делать более полными по обводам и, соответственно, более тяжёлыми. Только с появлением гребного винта эти проблемы были разрешены и паровая тяга нашла широкое применение в военном флоте.

Первые пароходофрегаты (такое обозначение получили все относительно крупные паровые боевые суда) на самом деле являлись куда больше пароходами, чем классическими фрегатами. Их боевая мощь пока не позволяла вести бои с фрегатами-парусниками. Попытки же оборудовать машинами и колёсами крупные корабли первоначально стабильно терпели неудачу. Англичане предпринимали усилия по созданию полноценного парового фрегата с 1822 года, но, не в первый и не в последний раз, их обогнали французы — первым в истории настоящим боевым пароходофрегатом считается французский «Гомер» (1841 год, 2700 т, 20 орудий).

В середине XIX века началась массовая переделка парусников в паровые суда. Модернизация парусников в винтовые корабли, в отличие от тех же в колёсные, оказалась значительно более простой. Деревянный корпус разреза́ли примерно пополам и делали деревянную же вставку с механической установкой, мощность которой для крупных фрегатов составляла 400—800 л. с. При этом весовая нагрузка только улучшалась: тяжёлые котлы и машины располагались в основном под ватерлинией, и исчезала необходимость в приёме балласта, количество которого на парусниках иногда достигало сотен тонн. Винт размещали в специальном колодце в корме и снабжали его подъёмным механизмом, поскольку при ходе под парусами он только мешал движению, создавая дополнительное сопротивление. Аналогично поступали и с дымовой трубой: чтобы она не мешала манипуляциям с парусами, её делали телескопической складной — по типу подзорной трубы. Проблем с вооружением при этом (в отличие от колёсных) практически не возникало: оно оставалось на своём месте[6].

В 1894 году Чарльз Парсонс построил опытное судно «Турбиния» с приводом от паровой турбины. На испытаниях оно продемонстрировало рекордную скорость — 60 км/ч. После этого паровые турбины стали устанавливать на многих быстроходных судах.