первые паровые двигатели — устройство и принцип работы, паровые турбины

Интерес к водяному пару, как доступному источнику энергии, появился вместе с первыми научными познаниями древних. Приручить эту энергию люди пытались на протяжении трёх тысячелетий. Каковы основные этапы этого пути? Чьи размышления и проекты научили человечество извлекать из него максимальную пользу?

Предпосылки появления паровых двигателей

Потребность в механизмах, способных облегчить трудоёмкие процессы, существовала всегда. Примерно до середины XVIII века для этой цели использовались ветряные мельницы и водяные колеса. Возможность использования энергии ветра напрямую зависит от капризов погоды. А для использования водяных колёс фабрики приходилось строить по берегам рек, что не всегда удобно и целесообразно. Да и эффективность тех и других была чрезвычайно мала. Нужен был принципиально новый двигатель, легко управляемый и лишённый этих недостатков.

История изобретения и совершенствования паровых двигателей

Создание парового двигателя — результат долгих размышлений, удач и крушений надежд множества учёных.

Начало пути

Первые, единичные проекты были лишь интересными диковинками. Например, Архимед сконструировал паровую пушку, Герон Александрийский использовал энергию пара для открывания дверей античных храмов. А заметки о практическом применении энергии пара для приведения в действие иных механизмов исследователи находят в трудах Леонардо да Винчи.

Рассмотрим наиболее значительные проекты по этой тематике.

В XVI веке арабский инженер Таги аль Дин разработал проект примитивной паровой турбины. Однако практического применения она не получила из-за сильного рассеяния струи пара, подаваемой на лопасти колеса турбины.

Перенесемся в средневековую Францию. Физик и талантливый изобретатель Дени Папен после многих неудачных проектов останавливается на следующей конструкции: вертикальный цилиндр заполняли водой, над которой устанавливали поршень.

Цилиндр нагревали, вода закипала и испарялась. Расширяющийся пар приподнимал поршень. Его закрепляли в верхней точке подъёма и ожидали остывания цилиндра и конденсации пара. После конденсации пара в цилиндре образовывался вакуум. Освобожденный от крепления поршень под действием атмосферного давления устремлялся в вакуум. Именно это падение поршня предполагалось использовать как рабочий ход.

Итак, полезный ход поршня был вызван образованием вакуума из-за конденсации пара и внешним (атмосферным) давлением.

Потому паровой двигатель Папена как и большинство последующих проектов получили название пароатмосферных машин.

Эта конструкция обладала весьма существенным недостатком — не была предусмотрена повторяемость цикла. Дени приходит к идее получать пар не в цилиндре, а отдельно в паровом котле.

В историю создания паровых двигателей Дени Папен вошел как изобретатель весьма важной детали — парового котла.

А поскольку пар стали получать вне цилиндра, сам двигатель перешел в разряд двигателей внешнего сгорания. Но из-за отсутствия распределительного механизма, обеспечивающего бесперебойную работу, эти проекты почти не нашли практического применения.

Новый этап в разработке паровых двигателей

Около 50 лет для откачки воды в угольных шахтах использовался паровой насос Томаса Ньюкомена. Он во многом повторял предыдущие конструкции, но содержал весьма важные новинки — трубу для вывода сконденсированного пара и предохранительный клапан для выпуска излишнего пара.

Его существенным минусом было то, что цилиндр приходилось то нагревать перед впрыскиванием пара, то охлаждать перед его конденсацией. Но потребность в таких двигателях была столь высока, что, несмотря на их очевидную неэкономичность, последние экземпляры этих машин прослужили вплоть до 1930 года.

В 1765 году английский механик Джеймс Уатт, занявшись усовершенствованием машины Ньюкомена, отделил конденсатор от парового цилиндра.

Появилась возможность цилиндр держать постоянно нагретым. КПД машины сразу вырос. В последующие годы Уатт значительно усовершенствует свою модель, оснастив её устройством для подачи пара то с одной, то с другой стороны.

Стало возможным использовать эту машину не только как насос, но и для приведения в действие различных станков. Уатт получил патент на свое изобретение — паровой двигатель непрерывного действия. Начинается массовый выпуск этих машин.

К началу XIX века в Англии работало более 320 паровых машин Уатта. Их стали закупать и другие европейские страны. Это способствовало значительному росту промышленного производства во многих отраслях как самой Англии, так соседних государств.

Двадцатью годами ранее Уатта, в России над проектом паровой машины работал алтайский механик Иван Иванович Ползунов.

Заводское начальство предложило ему построить агрегат, который приводил бы в действие воздуходувку плавильной печи.

Построенная им машина была двухцилиндровой и обеспечивала непрерывное действие подсоединённого к ней устройства.

Успешно проработав более полутора месяцев, котёл дал течь. Самого Ползунова к этому времени уже не было в живых. Ремонтировать машину не стали. И замечательное творение русского изобретателя-одиночки было забыто.

В силу отсталости России того времени мир узнал об изобретении И. И. Ползунова с большим опозданием….

Итак, для приведения в действие паровой машины необходимо, чтобы пар, вырабатываемый паровым котлом, расширяясь, давил на поршень или на лопасти турбины. А затем их движение передавалось другим механическим частям.

Применение паровых машин на транспорте

Несмотря на то, что КПД паровых двигателей того времени не превышал 5%, к концу XVIII века их стали активно использовать в сельском хозяйстве и на транспорте:

• во Франции появляется автомобиль с паровым двигателем;
• в США начинает курсировать пароход между городами Филадельфия и Берлингтон;
• в Англии продемонстрирован железнодорожный локомотив на паровой тяге;
• российский крестьянин из Саратовской губернии запатентовал построенный им гусеничный трактор мощностью 20 л. с.;
• неоднократно предпринимались попытки построить самолёт с паровым двигателем, но, к сожалению, малая мощность этих агрегатов при большом весе самолёта делала эти попытки неудачными.

Уже к концу XIX столетия паровые двигатели, сыграв свою роль в техническом прогрессе общества, уступают место двигателям внутреннего сгорания и электродвигателям.

Паровые устройства в XXI веке

С появлением новых источников энергии в XX и XXI веке снова появляется потребность в использовании энергии пара. Паровые турбины становятся неотъемлемой частью АЭС. Пар, приводящий их в действие, получают за счёт ядерного топлива.

Широко используются эти турбины и на конденсационных тепловых электростанциях.

В ряде стран проводятся эксперименты по получению пара за счёт солнечной энергии.

Не забыты и поршневые паровые двигатели. В горных местностях в качестве локомотива до сих пор используют паровозы.

Эти надёжные труженики и безопаснее, и дешевле. Линии электропередач им не нужны, а топливо — древесина и дешёвые сорта угля всегда под рукой.

Современные технологии позволяют улавливать до 95% выбросов в атмосферу и повысить КПД до 21%, так, что люди решили пока с ними не расставаться и работают над паровыми локомотивами нового поколения.

Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя в группе ВКонтакте.
А ещё — спасибо, если ты нажмёшь на одну из кнопочек «лайков»:

Паровая турбина – родоначальница двигателя внутреннего сгорания. Особенности и принцип работы

Сегодня мы расскажем, что такое паровая машина и турбина, как были устроены первые двигатели внутреннего сгорания, а также, каким образом они повлияли на развитие современных моторов

ПАРОВАЯ ТУРБИНА — РОДОНАЧАЛЬНИЦА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ. ОСОБЕННОСТИ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ПЕРВЫХ МОТОРОВ

Ленуар, Отто, Даймлер, Дизель — это люди, с именами которых связано появление первых дизельных и бензиновых двигателей внутреннего сгорания. В одних двигателях для работы использовался газ или пар, а в других — бензин, керосин и даже сырая нефть.

Стоит сказать, что независимо от того, на каком топливном сырье функционирует тот или иной тип двигателя, у всех у них превращение тепловой энергии в механическую происходит путем сгорания топлива внутри цилиндров. Точнее можно сказать так: внутри цилиндров этих двигателей происходит двойное превращение энергии — сначала химическая энергия топлива превращается в тепловую, а затем тепловая в механическую.

Подобные моторы называют еще поршневыми двигателями внутреннего сгорания, потому что все они имеют движущийся внутри цилиндров поршень. Нам, живущим менее, чем сто лет спустя после их появления в окружении автомобилей, тракторов, самолетов, теплоходов и тепловозов, хорошо видно, какую огромную роль в жизни человека сыграли подобные ДВС.

ПАРОВЫЕ МАШИНЫ И ТУРБИНЫ — ОСНОВАТЕЛИ СОВРЕМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Современные двигатели многим отличаются от своих предшественников. Сменилось уже несколько поколений инженеров и конструкторов, которые во многих странах для разных целей совершенствовали эти двигатели.

Так, например, сегодняшний бензиновый двигатель автомобиля «Волга» или самолетный поршневой двигатель также мало похожи на двигатель Даймлера, как и современные могучие дизельные моторы, установленные на теплоходах и тепловозах, на первые ДВС от Рудольфа Дизеля.

Много труда было затрачено на то, чтобы улучшить их конструкцию, повысить экономичность и сделать эти двигатели более долговечными. Так появились и вошли в жизнь двигатели внутреннего сгорания, имеющие большие заслуги перед человечеством.

Последнее десятилетие уходящего XIX столетия подарило миру еще один двигатель — паровую турбину. Название нового двигателя — «турбина» происходит от латинского слова «турбо», что означает «вихрь» или «волчок». Вдумавшись в эти слова, нетрудно догадаться, что новый двигатель отличался небывалой до сих пор скоростью вращения.

Появление турбин было вызвано целым рядом важных причин. Прежде всего, большинство рабочих машин требовало для себя вращательного движения. Но поршень паровой машины имел возвратно-поступательное движение. Для того чтобы вал паровой машины мог вращаться, пришлось придумать кривошипно-шатунный механизм. Такая конструкция паровой машины мешала увеличивать ее мощность и быстроходность.

В то же время развитие техники требовало от двигателей, приводящих в движение рабочие машины, все больших скоростей и мощностей. Почему же невозможно было построить паровую машину, работающую с большой скоростью?

Дело в том, что при работе машины поршень в цилиндре движется неравномерно. Он то с ускорением идет в одну сторону, то останавливается, затем опять ускоренно движется в другую сторону, снова останавливается, и так все время, пока работает машина. Из-за неравномерности хода поршня во всех частях машины возникают сильные толчки.

Тяжелое маховое колесо, насаженное на вал машины, сглаживает эти удары. Но с этой задачей маховое колесо справляется лишь тогда, когда обороты машины сравнительно невелики. Конструкторы паровых машин дошли до некоторого барьера, дальше которого увеличивать скорость и мощность паровой машины было невозможно — происходили частые поломки.

Скорость двигателей внутреннего сгорания также имела свой барьер. Эти двигатели являются самыми «близкими родственниками» паровой машины. От нее они переняли и многие недостатки. Так, к двигателям внутреннего сгорания по наследству отошли поршень и кривошипно-шатунный механизм.

Изобретателям двигателей внутреннего сгорания пришлось немало потрудиться над тем, чтобы они работали равномерно. Итак, необходим был новый принцип действия двигателя — с вращающимся валом, но без поршня и кривошипно-шатунного механизма.

И тогда вспомнили об идеях, высказанных еще Героном Александрийским и Джованни Бранка. Герон построил шар, который вращался при помощи пара, с силой, выходящего через трубки наружу. А Джованни Бранка предложил колесо с лопатками. Оно вращалось благодаря струе пара, с силой, ударявшей по лопаткам колеса.

В этих «двигателях» сразу создавалось вращательное движение, и в какой-то мере они были прообразами турбин. Стоит сказать, что предпринималось много попыток создать паровую турбину, в которой поступающий из котла пар создавал бы вращательное движение рабочего колеса, а вместе с ним и вала турбины.

Известно, что подобные работы проводились и русскими изобретателями. Так, еще в 1806 — 1813 годах на одном из алтайских заводов русский изобретатель Поликарп Залесов строил модели паровых турбин. Но на примере, Фролова и Ползунова, усилия и начинания отдельных выдающихся изобретателей неизменно наталкивались на глухую стену непонимания со стороны царского правительства.

Появление первых, пригодных для практической работы паровых турбин относится к 1890 году. Среди их создателей наибольшая заслуга принадлежит шведскому инженеру, французу по происхождению — Густаву Лавалю и сыну английского лорда Росса — Чарлзу Парсонсу.

Примерно в одно и то же время и независимо друг от друга пришли они к своим изобретениям. Нужно сказать, что рождению паровой турбины в немалой степени способствовало и беспокойство углепромышленников за свои барыши. Широкое распространение дизельных двигателей и наступление нефти внушало им большие опасения.

Владельцы угольных копей были крайне заинтересованы в паровых двигателях, работающих на угле. Поэтому они всемерно поддерживали работы, направленные на создание нового парового двигателя. Война угля и нефти была в самом разгаре. В это время и появляется паровая турбина.

Уже первые образцы турбин выгодно отличались от паровых машин. Это стало возможным потому, что в паровой турбине гораздо лучше используется тепловая энергия подведенного пара.

В паровую машину пар поступает отдельными порциями. При расширении пара в цилиндре он охлаждается, и при этом охлаждаются частично и стенки цилиндра. Из каждой вновь поступившей порции пара часть тратится на подогрев цилиндра, не совершая при этом полезной работы.

В турбину же пар поступает непрерывным мощным потоком. И это создает в турбине постоянную температуру, что позволило уже первым турбинам, далеко несовершенным в конструктивном отношении, быть в два раза более экономичными, чем лучшие паровые машины того времени.

Итак, замена прерывистого потока тепловой энергии, подводимого к паровой машине, на непрерывный поток пара, поступающего в паровую турбину, открыла новые пути развития двигателей, использующих для своей работы тепловую энергию пара.

С появлением турбины дни паровой машины были сочтены. Паровая турбина явилась не только «могильщиком» паровой машины. Она вступила в борьбу за «сферы влияния» с дизельными двигателями. Здесь паровая турбина также одержала ряд крупных побед.

В заключении отметим, что и по сей день турбинам нет конкурентов на больших тепловых электростанциях (в качестве электрических генераторов), тепловозах, реактивных двигателях (самолеты), где они используются в качестве первичных моторов.

БОЛЬШОЕ СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ. ОСТАВЛЯЙТЕ СВОИ КОММЕНТАРИИ, ДЕЛИТЕСЬ С ДРУЗЬЯМИ. 
ЖДЕМ ВАШИХ ОТЗЫВОВ И ПРЕДЛОЖЕНИЙ.

Паровозы 101 — Три реки Рамблер

А. Топка.  Здесь сжигается топливо для создания тепла.

Б. Бойлер.  Линди использует жаротрубный котел. Горячие газы, образующиеся в топке, протягиваются через трубную решетку в котле. Трубки нагревают воду, которая их окружает, для производства пара. Пар собирается в паровом куполе в верхней части котла.

C. Паровой купол.  Внутри парового купола находятся регулирующий клапан, предохранительный клапан и свисток. Клапан регулятора прикреплен к дроссельной заслонке в кабине. Инженер использует дроссельную заслонку, чтобы контролировать количество пара, подаваемого в цилиндры. Свисток представляет собой свисток Болдуина 1925 года с четырьмя перезвонами, который дует под давлением пара. Предохранительный клапан открывается, чтобы выпустить пар, когда давление становится слишком высоким.

D. Клапаны, цилиндры и поршни.  В цилиндрах пар преобразуется в механическую энергию. Пар под давлением проходит через клапаны цилиндра в камеру и приводит в движение поршень. Линди, как и большинство локомотивов, использует цилиндры двойного действия. Это обеспечивает удвоение мощности за счет поочередного введения пара с обеих сторон поршня, так что шток поршня одновременно толкается и вытягивается, создавая мощность на обоих ходах.

E. Стержни.  Поршень выравнивается в цилиндре с помощью крейцкопфа, перемещающегося по направляющей. Крейцкопф несет меньший конец шатуна. Другой конец, большой конец, передает мощность на колеса с помощью шатунной шейки. Линди, как и большинство локомотивов, имеет более одного комплекта ведущих колес, которые распределяют мощность, генерируемую цилиндрами двойного действия. Шатуны с обеих сторон локомотива смещены на 90°, чтобы распределять мощность на полный оборот колес.

F. Коптильня.  Отработанный пар выпускается из цилиндров через дутьевую трубу под дымовой трубой. Такое расположение обеспечивает снижение давления в дымовой камере, которая втягивает топочные газы через трубы котла. Чем интенсивнее работает локомотив, тем больше газа проходит по трубам, производя больше пара.

Г. Стек.  Отработанный пар из дутьевой трубы смешивается с газами из труб котла и выходит через дымовую трубу. Чем тяжелее работает локомотив, тем больше газов и пара выходит из дымовой трубы.

H. Кабина.  Поездная бригада управляет двигателем из кабины. Работа кочегара состоит в том, чтобы производить пар, контролируя огонь в топке и подачу воды в котел. Инженер использует пар, управляя дроссельной заслонкой, и контролирует давление пара, топлива и воды.

I. Песчаный купол.  Купол содержит песок, который инженер может использовать для распыления перед ведущими колесами или позади них для обеспечения сцепления между колесами и рельсом.

Паровой двигатель был изобретен в конце 1700-х годов как часть основы промышленной революции. Первый паровоз был разработан в начале 1800-х годов. Первое использование заключалось в перевозке грузов на трамваях вместо лошадей. За последние 200 лет принцип работы паровой машины остался прежним.

Линди — паровой двигатель консолидации 2-8-0 производства Baldwin Locomotive Works. Тип консолидации, особенно подходящий для перевозки тяжелых грузов, имеет четыре пары ведущих колес и двухколесную переднюю тележку. Ведущие колеса несут большой процент веса локомотива для большей тяги. Распределение веса по четырем парам колес снижает нагрузку на каждую пару. Передние и задние колесные пары фланцевые, а промежуточные пары гладкие или фланцевые, в зависимости от их эксплуатационных требований. Передняя тележка имеет качающуюся балку и радиусную балку. Обычно длинная топка размещается над задней парой ведущих колес.

Для работы паровой машины требуется горючее топливо и запас воды. На большинстве паровозов топливо и вода перевозятся в отдельном вагоне, тендере, позади локомотива. Обычно тендер полупостоянно соединен с двигателем. Тендер Линди, который первоначально перевозил уголь в качестве топлива, был переоборудован для перевозки нефти. Использование масла снижает образование сажи и пепла, вызванных углем.

Клапан цилиндра открывается для выпуска пара. Пар выходит под большим давлением и издает знакомый звук «чу», связанный с паровыми двигателями. По мере того, как поршень набирает скорость, звук «чу» повторяется все быстрее и быстрее, создавая часто цитируемые звуки «я думаю, что смогу, я думаю, что смогу».

ПАРОВАЯ ДВИГАТЕЛЬ

ПАРОВАЯ ДВИГАТЕЛЬ

ПАРОВАЯ ДВИГАТЕЛЬ

Фред Лэндис, профессор машиностроения, университет
Висконсин Милуоки.

В паровую машину подается пар высокого давления.
в возвратно-поступательный (возвратно-поступательный) узел поршень-цилиндр.
Когда пар расширяется до более низкого давления, часть тепловой энергии
превращается в работу движение поршня. Это движение
может быть передан во вращательное движение с помощью кривошипно-коленчатого вала
сборка аналогична той, что используется в автомобилях. Расширенный пар
затем может быть позволено уйти, или, для максимальной эффективности двигателя,
пар может быть направлен в отдельный аппарат-конденсатор при сравнительно
низкая температура и давление. Там используется оставшееся тепло
чтобы нагреть воду, которая будет использоваться для производства большего количества пара. пар
обычно обеспечивается котлом, работающим на угле, мазуте или природном топливе.
газ.

С начала 1900-х годов паровые турбины заменили
большинство паровых двигателей на крупных электростанциях. Турбины
эффективнее и мощнее паровых двигателей. В большинстве областей,
паровозы вытеснены более надежными и экономичными
дизель-электрические локомотивы. Первые паровые автомобили были
вытеснены автомобилями, оснащенными легкими, удобными и т. д.
мощные бензиновые и дизельные двигатели. Из-за всего этого пар
сегодня двигатели обычно считаются музейными экспонатами. Тем не менее,
Изобретение паровой машины сыграло большую роль в развитии промышленности.
Революция, создав общество, менее зависимое от силы животных,
водяные и ветряные мельницы.

Разработка парового двигателя

В 1690 году был разработан первый паровой поршневой двигатель.
французского физика Дени Папена для откачки воды. В этом сыром
устройство небольшое количество воды было помещено в один цилиндр
над огнем. По мере испарения воды давление пара заставляло
поршень вверх. Затем источник тепла был удален, что позволило
пар для охлаждения и конденсации. Это создавало частичный вакуум (давление
ниже атмосферы). Поскольку воздух, расположенный над
поршень находился под более высоким давлением (при атмосферном давлении), он
заставит поршень двигаться вниз, совершая работу. Более практичным
устройства, работающие на паре, были паровой насос, запатентованный в 169 г.8
английским инженером Томасом Савери и так называемым атмосферным
паровой двигатель, впервые построенный в 1712 году Томасом Ньюкоменом и Джоном Калли.
В двигателе Ньюкомена пар, образующийся в котле, подавался в
цилиндр, расположенный непосредственно над котлом. Был вытянут поршень
к верхней части цилиндра с помощью противовеса. После цилиндра
был заполнен паром, в него впрыскивалась вода, в результате чего
пар для конденсации. Это уменьшило давление внутри цилиндра.
и позволил наружному воздуху толкнуть поршень обратно вниз. Цепь-балка
Рычажный механизм был соединен со штоком насоса, который поднимал насос.
поршень, когда поршень движется вниз. Некоторые модифицированные двигатели Ньюкомена
находились на вооружении до 1800 г.

Шотландский мастер инструментов Джеймс Уатт заметил
что использование одной и той же камеры для чередования горячего пара и холодного
конденсат привел к плохому использованию топлива. В 1765 году он разработал
отдельная камера конденсатора с водяным охлаждением. Он был оснащен
насос для поддержания частичного вакуума и периодический пар
подается из цилиндра через клапан. Уотта и его делового партнера,
Мэтью Боултон продавал эти двигатели на том основании, что одна треть
часть сэкономленного топлива выплачивается им. Расход топлива на ватт
и двигателей Boulton были на 75 процентов меньше, чем у аналогичных
Двигатель Ньюкомена. Среди многих других усовершенствований Уатта было
коленчатый вал, который использовался для получения вращающей силы; использование
поршней двойного действия, с помощью которых пар поочередно подавался в
верхняя и нижняя части узла поршень-цилиндр
почти вдвое больше выходной мощности данного двигателя; губернатор,
который регулировал подачу пара к двигателю; и маховик,
что сгладило рывки работы цилиндров. Ватт также
признано, что использование пара высокого давления в двигателе
быть более экономичным, чем использование пара при внешнем атмосферном давлении.
Однако из-за ограничений конструкции котла его двигатели никогда не
эксплуатируются при высоких давлениях.

Двигатели были усовершенствованы после разработки
котлов, которые могли бы работать при более высоких давлениях. К концу
XVIII века существовало два типа котлов высокого давления.
применение: водотрубные котлы и жаротрубные котлы. Их снаряды были
из железных пластин, скрепленных между собой заклепками. В водопроводной трубе
котлах вода нагревалась в спиральных или вертикальных трубах,
через топку и получил тепло от горячего сгорания
газы. Пар собирался в верхней части котлов. Эти
котлы были предшественниками современных котлов для электростанций. В
жаротрубных котлах вода поддерживалась в нижней части
из большой раковины. Оболочка была пересечена большими трубами через
продукты горения от колосников переходят в
куча. И снова пар собрался наверху.

Усовершенствовав конструкцию котла, британский инженер
Ричард Тревитик построил паровую повозку без конденсации.
в 1801 г. и первый паровоз в 1803 г., хотя его котел
позже взорвался. В 1829 году Джордж Стефенсон построил свой успешный
Ракетный локомотив. Это способствовало быстрому развитию железных дорог.
в Великобритании, а затем и в других странах.

Паровая тяга кораблей успешно опробована
в 1787 году американцем Джоном Фитчем, поставившим пароход на
река Делавэр. В 1807 году американец Роберт Фултон построил
колесный пароход с бортовым колесом под названием «Клермон». Оснащен
Двигатель Ватта и Боултона, Клермон Фултона, который был более экономичным.
успешнее, чем усилия Fitch, приехал из Нью-Йорка
в Олбани, открывая век пароходов.

Примерно в то же время появились двигатели без конденсации.
также разрабатывается американским изобретателем Оливером Эвансом. Во многом
по инициативе Эванса в
США гораздо охотнее, чем в Европе, хотя иногда
с плачевными результатами. Произошло большое количество взрывов котлов
речное судоходство в Соединенных Штатах на протяжении большей части раннего
1900-е годы.

Британский изобретатель Артур Вульф понял, что
больше мощности можно было бы получить от стационарного двигателя путем компаундирования
то есть за счет расширения пара лишь частично в первом цилиндре
и далее до давления ниже атмосферного во втором цилиндре
перед подачей в конденсатор. Поскольку давление пара продолжалось
чтобы увеличить, такие составные двигатели в конечном итоге изменились с двухконтурных
к тройной и четверной компаундированию. Самый известный двигатель
1920-м веке был представлен двухцилиндровый двигатель Corliss.
Джорджа Корлисса на Столетней выставке 1876 года в Филадельфии.
Его цилиндры были 40 дюймов (102 сантиметра) в диаметре. Его
ход, максимальное расстояние хода поршня составляло 10 футов (3
метров), а его маховик был 30 футов (9 метров) в диаметре. Превращение
при 36 оборотах в минуту двигатель Corliss выдавал 1400
лошадиных сил (1044 киловатта) для привода 8000 машин в машиностроении.
Зал. В течение десятилетия судовой двигатель, выпустивший более 10 000
лошадиных сил (7460 кВт). Разработка паровой машины
активно продолжалась еще 50 лет.

В 1897 году первые автомобили успешно управлялись
без конденсации, паровые двигатели были построены Фрэнсисом Э.
и Фрилан О. Стэнли в Ньютоне, штат Массачусетс. Эти паровые автомобили
были более мощными, чем первые автомобили с бензиновым двигателем. Они
в конечном итоге использовались котлы с давлением до 1000 фунтов на квадратный метр.
дюйм (6895 килопаскалей). Хотя конденсаторы были добавлены
В 1915 году паровые автомобили скоро исчезнут.
после этого, во многом из-за огромного веса двигателя, низкого КПД,
и постоянная потребность во внимании.

До появления небольших электродвигателей паровые
двигатели приводили в действие большинство заводов-изготовителей. Единый, в центре
расположенный двигатель передал мощность машинам посредством валов,
шкивы и ремни. Фермы в США работали на паровой тяге.
тракторы. Самоходные паровые молотилки переехали
от фермы к ферме в течение сезона сбора урожая, пока они не были
заменены агрегатами с бензиновым или дизельным двигателем.

Паровые машины со временем стали слишком большими, тяжелыми,
и медленно удовлетворять постоянно растущий спрос на большую мощность
из единого блока. Следуя успешному дизайну более
мощная и компактная паровая турбина британского инженера Чарльза
А. Парсонс в 1884 г. и его применение к морской силовой установке в
1897 судьба больших пароходов была решена, хотя
такие двигатели продолжали производиться в США через
Вторая Мировая Война. Растущий спрос на электроэнергию также называется
для более крупных паровых установок на электростанциях. Здесь тоже пар
турбины заменили паровые двигатели в начале 20-х гг.
век. Сегодня одна паротурбинная установка может производить
более 1 млн киловатт электроэнергии.

Как Steam производит работу

На примере можно показать, как пар
производит работу. Если в котле выпарится 1 фунт пара при
450 F (232 C), чтобы полностью стать паром (насыщенным), затем его давление
будет 422,6 фунта на квадратный дюйм (2914 килопаскалей) в абсолютном выражении.
и его объем составит 1,099 кубических футов (0,031 кубический метр). Если
пар расширяется идеально, то есть без трения, охлаждения,
или другие потери атмосферного давления, это приведет к образованию смеси
воды и пара, называемого влажным паром, при температуре 212
F (100 C) и позволяют работать 187 170 футо-фунтов (254 килоджоуля).
быть извлеченным. Однако его объем увеличится почти
двадцатикратно. С другой стороны, если тот же фунт пара может
расширяться ниже атмосферного давления до 2,0 фунтов на кв.
дюйм (13,8 килопаскаля) абсолютный, затем 269760 фут-фунтов (366
килоджоулей) энергии можно извлечь. Конечная температура
составляет 126 F (52 C), а конечный объем 129,8 кубических футов (3,65 куб.
метров). Хотя в последнем случае получается больше работы,
получение этой дополнительной работы от каждого фунта пара требует
использование как конденсатора, работающего при давлении ниже атмосферного
и источник охлаждения, который заставляет пар обратно конденсироваться
в жидкую форму. (Эта вода затем будет закачиваться обратно в
котла.) Этот пример иллюстрирует идеальный случай. В действительности
расширение пара, связанное с охлаждением и другими потерями, сравнительно
меньше работы можно извлечь и несколько другое состояние выхлопа
Результаты.

Паровые двигатели с конденсаторами более эффективны
чем паровые машины без них. Например, в паровых локомотивах.
выбрасываемый наружу воздух теряется. Более высокая эффективность также
возможно, если пар расширяется до более низкой температуры и давления
в двигателе. Наиболее эффективная производительность, то есть наибольшая
выход работы по отношению к подведенному теплу обеспечивается
с использованием низкой температуры конденсатора и высокого давления в котле.
Пар можно дополнительно нагреть, пропустив его через пароперегреватель.
на пути от котла к двигателю. Общий перегреватель
представляет собой группу параллельных труб с поверхностями,
горячие газы в топке котла. С помощью пароперегревателя пар
может нагреваться выше температуры, при которой он производится
просто кипячение воды под давлением.

Эксплуатация парового двигателя

В типичной паровой машине пар течет по схеме двойного действия.
цилиндр. Поток может регулироваться одностворчатым D-клапаном.
Когда поршень находится в левой части цилиндра, высокое давление
пар поступает из паровой коробки. В то же время
расширенный пар с правой стороны цилиндра выходит через
выпускной порт. При движении поршня вправо клапан
скользит как по выпускным отверстиям, так и по портам, соединяющим паровой
грудь и цилиндр, предотвращая попадание большего количества пара в
цилиндр. Затем пар высокого давления внутри цилиндра расширяется.
Расширение пара толкает шток поршня, который обычно соединен
к кривошипу для создания вращательного движения. Когда клапан
до упора влево, пар в левой части
цилиндр выходит как выхлоп. В то же время правая рука
часть цилиндра заполнена свежим паром высокого давления
из паровой коробки. Этот пар толкает поршень влево.
Положение золотникового D-клапана может варьироваться в зависимости от
положение эксцентрикового кривошипа на маховике.

Клапанная передача играет важную роль в паровозе.
потому что от двигателя требуется широкий диапазон усилий. Если
нагрузка на двигатель увеличивается, двигатель будет работать медленнее
вниз. Регулятор двигателя перемещает положение эксцентрика
чтобы увеличить продолжительность времени, в течение которого пар
допущено к цилиндру. По мере поступления большего количества пара двигатель
выход увеличивается. КПД двигателя снижается, однако
потому что пар больше не может полностью расширяться.

Хотя D-образный золотник представляет собой простой механизм,
давление, оказываемое паром высокого давления на заднюю часть
золотниковый клапан вызывает значительные потери на трение и износ.
Этого можно избежать, используя отдельные цилиндрические подпружиненные
золотниковые клапаны, заключенные в собственную камеру, как было предложено впервые
Джорджем Корлиссом в 1849 году.

Аранжировки сложнее простого эксцентрика
необходимы, если паровая машина должна работать с разными скоростями и
нагрузки, а также вперед и назад, как это делает паровоз.
Это приводит к сложному расположению золотниковых рычагов, известных
как клапанный механизм.

Составные двигатели

В простой паровой машине расширение пара
происходит только в одном цилиндре. В составном двигателе есть
представляют собой два или более цилиндра увеличивающегося размера для большего расширения
пара и более высокий КПД. Пар проходит последовательно через
эти цилиндры. Первый и самый маленький поршень приводится в действие
исходный пар высокого давления. Последующие поршни работают
паром более низкого давления, выпущенным из предыдущего цилиндра.
В каждом цилиндре происходит частичное расширение и падение давления.
Поскольку объем пара увеличивается с уменьшением давления, диаметр
цилиндров низкого давления должно быть намного больше, если двигатель
ход поршня должен быть одинаковым для всех цилиндров. В обычном соединении
двигатели различные цилиндры установлены рядом и приводят
тот самый коленвал.

Паровые турбины

В основе работы паровых турбин лежат два
понятия, которые могут использоваться как по отдельности, так и вместе. В
В импульсной турбине пар расширяется через сопла так, что
он достигает высокой скорости. Высокоскоростная струя низкого давления
Затем пар направляется на лопасти прялки,
где кинетическая энергия пара извлекается при выполнении
работай. Из турбины выходит только низкоскоростной пар низкого давления.

В реактивной турбине пар расширяется через
ряд ступеней, каждая из которых имеет кольцо криволинейных стационарных
лопасти и кольцо изогнутых вращающихся лопастей. В поворотной части
пар частично расширяется, создавая реактивную силу в
тангенциальное направление вращения турбинного колеса. стационарный
секции могут позволить некоторое расширение (и увеличение кинетической
энергии), но используются в основном для перенаправления пара для входа в
следующий вращающийся набор лопастей. В большинстве современных крупных паровых турбин
пар высокого давления сначала расширяется через ряд
импульсные ступени комплекты насадок, сразу понижающие высокие
начальное давление, чтобы корпус турбины не выдерживал
высокое давление, создаваемое в котле. Затем следует
многими последующими стадиями импульса или реакции (20 и более), в
в каждой из которых пар продолжает расширяться.

Первую реактивную турбину построил Герой.
Александрии в 1 веке нашей эры. В его эолипиле пар был
подается в сферу, которая вращается, когда пар расширяется через две тангенциально
установленные форсунки.