Пароходы

Попытки изобрести двигатель, который преобразовывает энергию пара в механическую работу, известны с древних времен. Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном из Александрии в первом столетии. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Сейвери в 1698 году. Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. Именно двигатель Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение, с которым принято связывать начало промышленной революции в Англии.

Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.

В 1769 году шотландский механик Джеймс Уатт добавил к двигателю Ньюкомена ещё несколько важных деталей: поместил внутрь цилиндра поршень для выталкивания пара и преобразовал возвратно-поступательное движения поршня во вращательное движение приводного колеса. На основе этих патентов Уатт построил паровой двигатель в Бирмингеме. К 1782 году паровой двигатель Уатта оказался более чем в 3 раза производительнее машины Ньюкомена. Повышение эффективности двигателя Уатта привело к использованию энергии пара в промышленности. Кроме того, в отличие от двигателя Ньюкомена, двигатель Уатта позволил передать вращательное движение, в то время как в ранних моделях паровых машин поршень был связан с коромыслом, а не непосредственно с шатуном.

Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «паровую телегу». Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7–8 миль в час. Пароход Дж. Фитча не был коммерчески успешным, поскольку с его маршрутом конкурировала хорошая сухопутная дорога. В 1802 году шотландский инженер Уильям Симингтон построил конкурентоспособный пароход, а в 1807 году американский инженер Роберт Фултон использовал паровой двигатель Уатта для привода первого коммерчески успешного парохода. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком.

Пароход Фултона

В 1813 году Фултон обратился к русскому правительству с просьбой предоставить ему привилегию на постройку изобретенного им парохода и употребление его на реках Российской империи. 10 декабря 1813 года в ответ на эту просьбу было дано такое высочайшее предписание министру внутренних дел: «Во уважение пользы, каковой можно ожидать от сего изобретения... выдать ему (то есть, Фултону – прим. Моргунова), или поверенному от него, таковую привилегию... В случае если бы Фултон сам, или поверенный его в течение трех первых лет не успели ввести в употребление в России хотя одного судна, – данная привилегия считается недействительной». Но три льготных года прошло, однако в России пароходов Фултон не создал. В 1815 году он скончался, а в 1816 году выданная ему привилегия была аннулирована.

Для использования паровой машины в качестве судового двигателя созрели все необходимые исторические предпосылки, и в России независимо от Фултона начались самостоятельные работы в этом направлении. Велись они параллельно, но независимо и почти одновременно в Петербурге и на Урале.

Первое российское паровое судно, родоначальник первых русских пароходов (в те годы их называли на английский манер «стимботы» (паровые лодки) или «пироскафы») было построено в 1815 году на заводе Чарльза Берда – русского инженера и заводчика (бизнесмена) шотландского происхождения. Это судно под именем «Елизавета» было спущено на воду при большом стечении народа и в присутствии членов августейшей фамилии.

Пароход представлял собой копию так называемой тихвинской лодки и имел длину 18,3 метра, ширину 4,57 метра и осадку 0,61 метра. В трюме судна была установлена балансирная паровая машина Джеймса Уатта мощностью в четыре лошадиные силы и частотой вращения вала 40 оборотов в минуту.

Первый русский пароход, построенный на заводе Чарльза Берда

Модель парохода «Елизавета»

Машина приводила в действие бортовые колёса диаметром 2,4 метра и шириной 1,2 метра, имевшие по шесть лопастей. Однотопочный паровой котёл отапливался дровами. Над палубой судна возвышалась кирпичная дымовая труба (это было данью заблуждению, что трубы по аналогии с печами должны изготавливаться из кирпича). Впоследствии кирпичную трубу заменили металлической высотой 7,62 метра, которая могла нести на себе парус при попутном ветре. Скорость парохода достигала 10,7 км/час (5,8 узла).

Испытания стимбота «Елизавета» проходили при стечении народа в пруду Таврического дворца. На них корабль продемонстрировал хорошие ходовые качества.

Первый регулярный рейс первого отечественного стимбота состоялся 3 ноября 1815 года в 6 часов 55 минут. Маршрут первого рейса пролегал из Санкт-Петербурга в Кронштадт. Командир Кронштадтского порта приказывал состязаться с пароходом лучшему гребному катеру, который, не уступая в скорости, временами догонял пароход, а иногда перегонял и даже приставал к судну. В 7 часов паровой бот прошёл Петербургскую брандвахту, и в 10 часов 15 минут прибыл в Кронштадт. На преодоление пути было затрачено 3 часа 15 минут, средняя скорость составила 9,3 километра в час. Пароход, взяв на борт пассажиров, в 13 часов 15 минут отправился в Санкт-Петербург. Из-за ухудшения погоды обратный рейс занял 5 часов 22 минуты.

Путешествие это описано в статье морского офицера, в будущем адмирала Рикорда в газете «Сын Отечества» № 46 за 1815 год, где он впервые применил в печати термин «пароход», нашедший всеобщее распространение. Показав хорошие ходовые качества на испытаниях, пароход «Елизавета» стал ходить по Неве и Финскому заливу со скоростью до 5,3 узла.

После проведения успешных испытаний Чарльз Берд получил ряд выгодных правительственных заказов.

Первый пароход в Волжском бассейне появился на Каме в июне 1816 года. Его построил уже упоминавшийся Пожвинский чугунолитейный и железоделательный завод В. А. Всеволожского. Имея мощность 24 лошадиных сил, пароход совершил несколько опытных рейсов по Каме.

В 40-х годах XIX века появляются пароходы и на реках Сибири.

Чарльз Берд стал довольно успешным предпринимателем (заводчиком). Он владел речным пароходостроением по всей России, наладил пароходное сообщение между столицей и Ревелем, Ригой и другими городами. Обладание десятилетней привилегией давало ему право на монопольное строительство судов для Волги: никакое частное лицо без разрешения Берда не имело возможности строить свои пароходы или делать их на заказ. К 1820 году по рекам России уже ходили или были готовы к спуску пятнадцать пароходов, а к 1835 году в России было 52 парохода. Исключительная императорская привилегия принадлежала Берду до 1843 года: только его завод занимался строительством и эксплуатацией паровых судов в России.

Имя Берда стало символом успеха, появилась поговорка: на вопрос «Как дела?» петербуржцы отвечали: «Как у Берда, только труба пониже, да дым пожиже».

Появление первых пароходов на реках России сразу не могло изменить сложившиеся веками правила речного судоходства. Переход от сплавного судоходства и бурлацкой тяги к организации перевозок на базе новой паровой машинной техники занял почти 50 лет, на протяжении которых наряду со старыми методами судоходства развивались и отмирали переходные формы. Паровому флоту пришлось вести долгую и упорную борьбу за свое признание.

На первом этапе основными представителями парового флота являлись кабестаны, а несколько позднее туера.

Кабестан – это тип речного парохода, действовавший по принципу коноводного судна. Как и коноводное судно, кабестан подтягивал себя к завезённому вверх по течению якорю, однако в отличие от коноводного судна, шпиль кабестана вращали не лошади, а паровая машина. Для завоза якорей вверх по течению использовались два небольших пароходика, именовавшихся «забежками». Пока кабестан подтягивался к одному якорю, забежка доставляла вперёд другой; таким образом достигалась плавность движения. Средний кабестан имел около тридцати метров в длину и десять-двенадцать метров в ширину. Кабестан брал на буксир пять-шесть крупных подчалок, общая грузоподъёмность такого поезда составляла пятьсот тысяч пудов; или десять-пятнадцать барж-мокашин, такой состав имел общую грузоподъёмность в двести тысяч пудов.

В это же время и туеры переводили на паровую тягу. Паровая машина, вращая барабан, передвигала пароход по цепи. Туеры стали снабжать также гребными винтами, дающими им возможность в случае надобности передвигаться и самостоятельно, например, вниз по течению. В XIX веке на Волге и Шексне работало 14 туеров – пароходов. Постепенный рост мощности судов с гребным винтом, а также создание на Волге водохранилищ сделало туеры ненужными.

В конце XX века в составе речного флота России оставался всего один туер — дизель-электрический туер-буксир «Енисей». В течение сорока лет он трудился на Казачинском пороге одноимённой реки, проводя через пороги грузовые и пассажирские суда.

Туер «Енисей» на туерной стоянке выше Казачинского порога

Туер «Енисей» и «Плотовод-717» поднимают сухогруз и баржу в Казачинском пороге

В дальнейшем пароходы стали использоваться в качестве механической тяги для несамоходных судов, которыми в те времена было подавляющее большинство судов. То есть, пароходы использовались для буксировки грузовых и пассажирских судов. На реках и каналах большого поперечного сечения переход к применению буксирной тяги не представил больших затруднений. Сложнее обстояло дело с каналами малых размеров, с узостями на реках с быстрым течением, порогами, перекатами. Но, как уже говорилось, в таких местах использовались туеры.

Пароходы первоначально имели в качестве движителей гребные колеса с лопастями. Колеса устанавливались на горизонтальном валу по бортам судна. Понятно, что при этом увеличивались габариты судна по ширине, и требовалась большая ширина судового хода. Пробовали устанавливать гребные колеса на корме судна, но при этом увеличивалось воздействие потока воды на буксируемые суда.

В 1830 году появились колеса с поворачивающимися плицами. Сначала применялись плоские стальные плицы, а с начала XX века – вогнутые, которые улучшили работу колес, повысив их упор. Коэффициент полезного действия колес за период их развития с конца XIX по начало XX века вырос весьма значительно: с 0,30 – 0,35 до 0,70 – 0,75.

В 1681 году доктор Р. Гук впервые предложил применить винт в качестве судового движителя. Созданием теоретической базы для расчета гребных винтов занимались петербургские академики Даниил Бернулли (1752 год) и Леонард Эйлер (1764 год). До появления быстроходных паровых машин теория гребного винта являлась сугубо академической, невостребованной в судостроительной отрасли, дисциплиной.

Практическое применение гребного винта берет начало в 1829 году. Богемский инженер И. Рессель установил гребной винт на теплоходе «Циветта» водоизмещением 48 тонн. На проведенных в Триесте испытаниях судно развило скорость 6 узлов. И дальнейшие испытания судов с гребными винтами дали весьма посредственные скоростные показатели – лишь 10 узлов. Однако ошеломительный результат был получен при буксировке парусных судов по Темзе. Маленький пароход с 12-сильной машиной буксировал 140-тонную шхуну со скоростью 7 узлов, большой американский пакетбот «Торонто» (250 тонн) – со скоростью 5 узлов. В судостроении зародилось определение полезного упора движителя, который для винтов в десятки раз превышал эффективность колесного привода.

Совершенствование формы гребного винта вело к повышению эффективности его использования.

Очевидная эффективность гребного винта положила конец активному противоборству сторонников парусного и парового флотов. Год 1838 принято считать концом эры парусного флота.

На транспортных речных паровых судах гребные винты в качестве движителя в России до Великой Октябрьской социалистической революции не получили широкого распространения. Применение их сдерживалось малыми глубинами на реках, при которых этот движитель не может дать высокий КПД, более сложным ремонтом в случае поломки, непригодностью для установки в деревянных корпусах и в некоторой мере консерватизмом судовладельцев.

Таким образом, в ходе технического прогресса совершенствовались все элементы парохода. Это выразилось в улучшении формы и обводов корпуса с одновременным уменьшением его массы и усилением прочности; в повышении КПД движителей, в частности за счет применения гребных колес с поворотными плицами; в повышении давления пара в котлах и главным образом в улучшении конструкции паровой машины.

По своему назначению пароходы в основном делились на буксирные, пассажирские и грузовые. Причем эти назначения в XIX веке не всегда выдерживались в чистом виде, зачастую они сочетались в одном судне.

В обслуживании транспортных потребностей экономики страны наиболее важную роль выполнял буксирный флот во взаимодействии с несамоходными грузовыми судами.

Строительство буксиров развертывалось интенсивно. Уже в начале 50-х годов XIX века на Волге, по данным начальника Ярославского округа путей сообщения, насчитывалось 52 парохода, которые в состоянии заменить 5000 лошадей. В 1851 году в Астрахани побывало 15 пароходов, сделавших 47 рейсов; они перевезли 800 тыс. пудов груза, заменив 1 356 800 бурлаков.

В 1852 году начальник Нижегородской губернии докладывал царю: «С эпохи введения пароходства (8 лет тому назад) число судов и рабочих уменьшилось почти вдвое. Каждый пароход в один рейс заменяет, по крайней мере, 10, а в шесть рейсов 60 расшив, которые при этом совершенно излишни, так как при доставке пароходами груз помещается в особенных баржах. Наконец, число рабочих при этом уменьшается почти вдесятеро: при грузе 100 тыс. пудов пароход может ограничиться 30 человеками рабочих, тогда как при таком количестве груза на расшивах, полагая на каждые 1000 пудов по 3 человека, надо иметь 300 человек».

В начале XX века на базе окрепших и технически выросших машиностроительных заводов России продолжалось дальнейшее совершенствование судовых двигателей и судов в целом.

Появление в конце XIX веке молодой науки – строительной механики корабля – и создание первых расчетных методов проектирования корпуса судна обогатили отечественное судостроение и устранили многие недостатки в проектировании судов.

Гидротехническое строительство на водных путях России

Начало парового века

Вскоре обнаружились и отрицательные последствия движения пароходов по водным путям. Увеличение скоростей движения судов до 5–6 км/час приводило к размыву дна и откосов рек и каналов встречными потоками воды, образующимися при движении судов. Размывы происходили и от непосредственного действия на грунт струй воды от работы колес и винтов. Поэтому приходилось ограничивать скорости движения судов и увеличивать габариты судового хода.

Кое-где (например, во Франции и в Германии) попробовали исключить работу колес и винтов на судах и обойтись береговой тягой нескольких видов.

Один из таких способов состоял в том, что по обоим берегам канала устраивались бесконечные (замкнутые) канаты или тросы, приводимые в постоянное движение специальными двигателями. Причем на разных берегах канала тросы двигались в разные стороны. Суда прицеплялись коротким отрезком каната к тросу, движущемуся в направлении их хода. Таким образом осуществлялось встречное движение судов. При этом определенные трудности возникали в момент присоединения и отсоединения от ведущего троса.

Другим способом береговой тяги было использование буксировочных локомотивов на паровой или электрической тяге. Паровые локомотивы двигались по железнодорожной колее вдоль канала. Это было достаточно дорогостоящее дело, и оно не получило широкого распространения. Локомотивы на электрической тяге («электрическая лошадь») были двух конструкций. На Бургундском канале трехколесный локомотив передвигался по бечевнику без рельсов, электричество поступало от подвесных проводов. На канале Финнов локомотив ходил по железной дороге, проложенной на бечевнике.

Береговая тяга применялась и для проводки судов через судоходные туннели.

Однако такие способы движения по рекам и каналам не могли удовлетворить все возраставшие потребности в перевозках по водным путям. Развитие экономики государств настоятельно диктовало необходимость совершенствования водных путей сообщения. Увеличение объемов перевозок грузов приводило к увеличению размеров судов, реконструкции старых водных путей и строительству новых путей с большими габаритами.

В России эти обстоятельства явились побудительной причиной развернувшегося строительства межбассейновых соединений, которое не ограничилось совершенствованием водных путей, соединявших центральные районы страны с Петербургом, а распространилось и на другие речные бассейны.