Схема устройства и принцип работы паровой машины. Топи, ребята! Пять недавних автомобилей с паровым двигателем Современные паровые двигатели из двс

Современный мир заставляет многих изобретателей снова возвращаться к идее применения паровой установки в средствах, предназначенных для перемещения. В машинах есть возможность использовать несколько вариантов силовых агрегатов, работающих на пару.

Поршневой мотор

Современные паровые двигатели можно распределить на несколько групп:

Конструктивно установка включает в себя:

• пусковое устройство;
• силовой блок двухцилиндровый;
• парогенератор в специальном контейнере, снабженный змеевиком.

Процесс происходит следующим образом. После включения зажигания начинает поступать питание от аккумуляторной электробатареи трех двигателей. От первого в работу приводится воздуходувка, прокачивающая воздушные массы по радиатору и передающая их по воздушным каналам в смесительное устройство с горелкой.

Одновременно с этим очередной электромотор активирует насос перекачки топлива, подающий конденсатные массы из бачка по змеевидному устройству подогревательного элемента в корпусную часть отделителя воды и подогреватель, находящийся в экономайзере, в паровой генератор.
До начала запуска пару нет возможности пройти к цилиндрам, так как путь ему перекрывают клапан дросселя или золотник, которые приводятся в управление кулисной механикой. Поворачивая ручки в сторону, необходимую для передвижения, и приоткрывая клапан, механик приводит в работу паровой механизм.
Отработанные пары по единому коллектору поступают на распределительный кран, в котором разделяются на пару неодинаковых долей. Меньшая по объему часть попадает в сопло смесительной горелки, перемешивается с воздушной массой, воспламеняется от свечи. Появившееся пламя начинает подогревать контейнер. После этого продукт сгорания переходит в водоотделитель, происходит конденсирование влаги, стекающей в специальный бак для воды. Оставшийся газ уходит наружу.

Паровая установка может напрямую соединяться с приводным устройством трансмиссии машины, и с началом ее работы машина приходит в движение. Но с целью повышения кпд специалисты рекомендуют использовать механику сцепления. Это удобно при буксировочных работах и разных проверочных действиях.

Аппарат отличается способностью работать практически без ограничений, возможны перегрузки, имеется большой диапазон регулировки мощностных показателей. Следует добавить, что во время любой остановки паровой двигатель перестает работать, чего нельзя сказать про мотор.

В конструкции нет необходимости устанавливать коробку переключения скоростей, страртерное устройство, фильтр для очистки воздуха, карбюратор, турбонаддув. Кроме этого, система зажигания в упрощенном варианте, свеча только одна.

В завершении можно добавить, что производство таких машин и их эксплуатация будут обходиться дешевле, чем автомобили с двигателем внутреннего сгорания, так как топливо будет недорогим, материалы, применяемые в производстве – самыми дешевыми.

Наткнулся на интересную статью в интернете.

«Американский изобретатель Роберт Грин разработал абсолютно новую технологию, генерирующую кинетическую энергию путем преобразования остаточной энергии (как и других видов топлива). Паровые двигатели Грина усилены поршнем и сконструированы для широкого спектра практических целей.
«
Вот так, ни больше ни меньше: абсолютно новая технология. Ну естественно стал смотреть, пытался вникнуть. Везде написано, одним из наиболее уникальных преимуществ этого двигателя является способность генерировать энергию из остаточной энергии двигателей. Точнее говоря, остаточная выхлопная энергия двигателя может быть преобразована для энергии, идущей к насосам и охлаждающим системам агрегата.
Ну и что из этого, как я понял выхлопными газами доводить воду до кипения и потом преобразовывать пар в движение. Насколько это необходимо и малозатратно, ведь… хоть этот двигатель, как пишут, и специально разработан из минимального количества деталей, но все таки он сколько то да и стоит и есть ли вообще смысл огород городить, тем более принципиально нового в этом изобретении я не вижу. А механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное уже придумано очень много. На сайте автора двухцилинровая модель продаестя, в принципе не дорого
всего 46 долларов.
На сайте автора есть видео с использованием солнечной энергии, так же есть фото где некто на лодке использует этот двигатель.
Но в обоих случаях это явно не остаточное тепло. Короче я сомневаюсь в надежности такого двигателя: «Шаровые же опоры одновременно являются полыми каналами, по которым в цилиндры подаётся пар.»
А каково ваше мнение, уважаемые пользователи сайта?
Статьи на русском

Паровой двигатель

Сложность изготовления: ★★★★☆

Время изготовления: Один день

Подручные материалы: ████████░░ 80%

В этой статье я расскажу вам о том, как сделать паровой двигатель своими руками. Двигатель будет небольшой, однопоршневой с золотником. Мощности вполне хватит, чтобы вращать ротор небольшого генератора и использовать этот двигатель в качестве автономного источника электричества в походах.

• Телескопическая антенна (можно снять со старого телевизора или радиоприёмника), диаметр самой толстой трубки должен составлять не менее 8 мм
• Маленькая трубка для поршневой пары (магазин сантехники).
• Медная проволока с диаметром около 1,5 мм (можно найти в катушке трансформатора или радиомагазине).
• Болты, гайки, шурупы
• Свинец (в рыболовном магазине или найти в старом автомобильном аккумуляторе). Он нужен, чтобы отлить маховик в форме. Я нашёл готовый маховик, но вам этот пункт может пригодиться.
• Деревянные бруски.
• Спицы для велосипедных колёс
• Подставка (в моём случае из листа текстолита толщиной 5 мм, но подойдёт и фанера).
• Деревянные бруски (куски досок)
• Банка из под оливок
• Трубка

• Суперклей, холодная сварка, эпоксидная смола (стройрынок).
• Наждак
• Дрель
• Паяльник
• Ножовка

Как сделать паровой двигатель

Схема двигателя

Цилиндр и золотниковая трубка.



Отрезаем от антенны 3 куска:
? Первый кусок 38 мм длиной и 8 мм диаметром (сам цилиндр).
? Второй кусок длиной 30 мм и 4 мм диаметром.
? Третий длиной 6 мм и 4 мм диаметром.

Возьмём трубку №2 и сделаем в ней отверстие диаметром 4 мм посередине. Возьмем трубку №3 и приклеим перпендикулярно трубке №2, после высыхания суперклея, замажем все холодной сваркой (например POXIPOL).

Крепим круглую железную шайбу с отверстием посредине к куску №3 (диаметр — чуть больше трубки №1), после высыхания укрепляем холодной сваркой.

Дополнительно покрываем все швы эпоксидной смолой для лучшей герметичности.

Как сделать поршень с шатуном

Берём болт (1) диаметром 7 мм и зажимаем его в тисках. Начинаем наматывать на него медную проволоку (2) примерно на 6 витков. Каждый виток промазываем суперклеем. Лишние концы болта спиливаем.

Проволоку покрываем эпоксидкой. После высыхания, подгоняем поршень шкуркой под цилиндр так, чтобы он свободно там двигался, не пропуская воздух.

Из листа алюминия делаем полоску длиной 4 мм и длиной 19 мм. Придаём ей форму буквы П (3).

Сверлим на обоих концах отверстия (4) 2 мм диаметром, чтобы можно было засунуть кусочек спицы. Стороны П-образной детали должны быть 7х5х7 мм. Клеим её к поршню стороной, которая 5 мм.

Шатун (5) делаем из велосипедной спицы. К обоим концам спицы приклеиваем на два маленьких кусочка трубок (6) от антенны диаметром и длиной по 3 мм. Расстояние между центрами шатуна составляет 50 мм. Далее шатун одним концом вставляем в П-образную деталь и шарнирно фиксируем спицей.

Спицу с двух концов подклеиваем, чтобы не выпала.

Шатун треугольника

Шатун треугольника делается похожим способом, только с одной стороны будет кусок спицы, а с другой трубка. Длина шатуна 75 мм.

Треугольник и золотник

Из листа металла вырезаем треугольник и сверлим сверлим в нем 3 отверстия.
Золотник. Длина поршня золотника составляет 3,5 мм, и он должен свободно перемещаться по трубке золотника. Длина штока зависит от размеров вашего маховика.

Кривошип поршневой тяги должен быть 8 мм, а кривошип золотника — 4 мм.

• Паровой котёл

  Паровым котлом будет служить банка из под оливок с запаянной крышкой. Также я впаял гайку, чтобы через неё можно было заливать воду и герметично закручивать болтом. Также припаял трубку к крышке.
  Вот фото:

  Фото двигателя в сборе

  Собираем двигатель на деревянной платформе, размещая каждый элемент на подпорке

  Видео работы парового двигателя

• Версия 2.0

  Косметическая доработка двигателя. Бак теперь имеет свою собственную деревянную площадку и блюдце для таблетки сухого горючего. Все детали покрашены в красивые цвета. Кстати в качестве источника тепла лучше всего использовать самодельную

В те годы, когда автомобиль только зарождался двигатель внутреннего сгорания лежал лишь на одном из направленний конструкторской мысли. С автомобилем, где использовались двигатели такого рода, успешно конкурировали паровые и электрические. Паровой автомобиль француза Луи Сорполле даже установил в 1902 году рекорд скорости. И в последующие годы — безраздельного господства бензиновых двигателем находились oтдельные энтузиасты пара, которые никак не могли примириться с тем, что этот вид энергии вытеснен с шоссейных дорог. Американцы братья Стенлей строили паровые автомобили с 1897 до 1927 года. Их машины были вполне совершенны, но несколько громоздки. Другая родственная пара, тоже американская — братья Добл, — продержалась несколько дольше. Неравную борьбу они закончили в 1932 году, создав несколько десятков паровых автомобилей. Одна из таких машин эксплуатируется до сих пор, не подвергаясь почти никаким изменениям. Установлен лишь новый котел и форсунка, работающая на дизельном топливе. Давление пара достигает 91,4 атм. при температуре 400° С. Максимальная скорость автомобиля весьма высока — около 200 км/ч. Но самое замечательное — возможность при трогании с места развить огромный крутящий момент. Этим свойством паровой машины двигатели внутреннего сгорания не обладают, и потому и своё время так трудно было внедрить дизель на локомотивы. Автомобиль братьев Добл прямо с места переезжал через положенный под колеса брусок размером 30 на 30 см. Ёще одно любопытное свойство: задним ходом он взбирается на холм быстрее, чем обычные машины передним. Отработанный пар используется лишь для вращения вентилятора и генератора, заряжающего аккумуляторную батарею. Но эта машина так и осталась бы курьезом, претендентом на место в музее истории техники, если бы взоры конструкторов в наши дни не обратились вновь к старым идеям — электромобилю и пару — под влиянием опасности, которую представляет загрязнение атмосферы.

Что с этой точки зрения привлекает в паровом автомобиле? Исключительно важное свойство — очень малое выделение с продуктами сгорания вредных веществ. Происходит это потому, что топливо сгорает не вспышками, как в бензиновом двигателе, а непрерывно, процесс горения идет стабильно, время сгорания гораздо больше.

Открытия в этом как будто бы вовсе нет — различие между паровым двигателем и двигателем внутреннего сгорания лежит в самом принципе их работы. Почему же паровые автомобили не выдержали конкуренции с бензиновыми? Потому что у двигателей их есть ряд серьезных недостатков.

Первое — известный факт: шоферов-любителей сколько угодно, машинистов же любителей пока нет ни одного. В этой области человеческой деятельности заняты исключительно профессионалы. Самое главное заключается в том, что шофер-любитель, садясь за руль, рискует только жизнью своей и тех, кто ему добровольно доверился; машинист же — тысячами других. Но важно еще и другое: для обслуживания парового двигателя требуется более высокая квалификация, нежели для обслуживания бензинового. Ошибка приводит к серьезным поломкам и даже взрыву котла.

Второе. Кто не видал паровоза, мчащегося в белом облаке по рельсам? Облако — это пар, выпускаемый в атмосферу. Паровоз — могучая машина, на ней хватит места и для большого котла с водой. А на автомобиле не хватает. И это одна из причин отказа от паровых двигателей.

Третье же и самое главное — это низкий к. п. д. паровой машины. Недаром в индустриально развитых странах
все паровозы на магистралях стараются заменить теперь тепло- и электровозами, недаром неэкономичность паровоза вошла даже в поговорку. 8% — ну что это за к. п. д.

Для повышения его нужно увеличить температуру и давление пара. Чтобы к. п. д. парового двигателя мощностью от 150л. с. и выше равнялся 30% должно поддерживаться рабочее давление в 210 кг/см2, для чего требуется температура в 370°. Технически это осуществимо, но вообще-то крайне опасно, потому что даже небольшая утечка пара в двигателе или котле может привести в катастрофе. А от высокого давления до взрыва — дистанция совсем небольшая.

Это — главные трудности. Есть и более мелкие (хотя надо оговориться, что в технике мелочей не бывает). Сложно смазывать цилиндры, ибо масло образует эмульсию с горячей водой, попадает в трубы котла, где откладывается на стенках. Это ухудшает теплопроводность и вызывает сильный местный перегрев. Другая «мелочь» — затрудненный по сравнению с обычным пуск парового двигателя.

И тем не менее конструкторы взялись за очень старое и абсолютно новое для них дело. Две удивительные по своему устройству машины вышли на улицы американских городов. Внешне они не отличались от обычных машин, одна даже обтекаемостью форм напоминала спортивную. Это были паровые автомобили. Оба они трогались с места менее чем через 30 сек. после включения двигателя и развивали скорость до 160 км/ч, работали на любом горючем, в том числе и керосине, и на 800 километров пробега расходовали 10 галлонов воды.

В 1966 году фирма «Форд» испытала четырехтактный высокооборотный паровой двигатель для автомобиля рабочим объемом 600 см3. Испытания показали, что в выхлопных газах содержится всего лишь 20 частиц углеводорода
на 1 млн. (предписаниями сенатской комиссии по борьбе с загрязнениями воздуха допускается 27 частиц), окиси углерода содержалось 0,05 % общей массы выхлопных газов, что в 30 раз меньше допустимого количества.

Экспериментальный паровой автомобиль, сделанный фирмой «Дженерал моторс», под индексом Е-101 демонстрировался на выставке автомобилей с необычными двигателями. Внешне он не отличался от той машины, на базе которой был создан — «понтиак», — но двигатель вместе с котлом, конденсатором и прочими агрегатами паровой системы весил на 204 кг больше. Водитель садился на свое место, поворачивал ключ и ждал 30-45 сек, пока не загорится лампочка. Это означало, что давление пара достигло нужной величины и можно ехать. Столь короткий промежуток времени можно расчленить на такие этапы.

Котел заполнился — включается топливный насос, топливо поступает в камеру сгорания, смешивается с воздухом.

Воспламенение.

Температура и давление пара достигли нужного уровня, пар идет в цилиндры. Двигатель работает на холостом ходу.

Водитель нажимает на педаль; количество пара, идущего в двигатель, увеличивается, машина трогается с места. Топливо любое — дизельное, керосин, бензин.

Все эти опыты дали возможность Роберту Айресу из Вашингтонского центра перспективных разработокок заявить, что недостатки парового автомобиля преодолены. Высокая себестоимость при серийном производстве безусловно понизится. Котел, состоящий из труб, исключает опасность взрыва, так как в любой момент в работе участвует лишь небольшое количество воды. Если трубы расположить теснее, размеры двигателя уменьшатся. Антифриз избавит от опасности замерзания. Паровой двигатель не нуждается в коробке передач, трансмиссии, стартере, карбюраторе, глушителе, системах охлаждения, газораспределения и зажигания. В этом его огромное преимущество. Режим работы машины можно регулировать, подавая большее или меньшее количество пара в цилиндры. Если вместо воды использовать фреон, который замерзает при очень низких температурах да еще и обладает смазочным свойством, то преимущества возрастут еще более. Паровые двигатели соперничают с обычными по приемистости, расходу горючего, показателю мощности на единицу веса.

Пока о широком использовании паровых автомобилей речи нет. До промышленного образца не доведена ни одна машина, а перестраивать автомобильную индустрию никто не собирается. Но самодеятельные конструкторы никакого отношения к промышленной технологии не имеют. И они один за другим создают оригинальные образцы автомобилей с паровыми двигателями.

Два изобретателя, Петерсон и Смит, переделали подвесной лодочный мотор. Они подавали пар в цилиндры через отверстия для свечей. Двигатель весом 12 кг развил мощность в 220 л. с. при 5600 об/мин. Их примеру последовали инженер-механик Петер Баррет и его сын Филипп. Использовав старое шасси, они построили паровой автомобиль. Смит поделился с ними опытом. Отец и сын использовали четырехцилиндровый подвесной мотор, совместив его с паровой турбиной конструкции Смита.

Пар производился в специально сконструированном котле, который содержит около 400 футов медных и стальных трубок, соединенных в спиралевидные связки, проходящие друг над другом. Так увеличивается циркуляция. Вода накачивается в котел из бака. Горючее смешивается с воздухом в камере сгорания, и раскаленные языки пламени вступают в соприкосновение с трубами. Через 10-15 сек. вода превращается в сжатый пар температурой примерно 350°С и давлением 44 кг/см. Он выбрасывается из противоположного конца парогенератора и направляется во впускной канал двигателя.

Пар поступает в цилиндр через вращающиеся лопасти, вдоль которых проходят каналы постоянного сечения.
Наружная муфта коленчатого вала жестко связана с цепной передачей на ведущие колеса.

Наконец перегретый пар выполнил свою полезную работу, и он должен теперь превратиться в воду, чтобы быть готовым начать цикл снова. Это делает конденсатор, внешне похожий на обычный радиатор автомобильного типа. Он и размещен спереди — для лучшего охлаждения встречными потоками воздуха.

Наибольшие трудности инженеров заключаются в том, что часто, чтобы добиться хотя бы относительной простоты
конструкции, приходится уменьшать И без того невысокий к. п. д. автомобиля. Двум самодеятельным конструкторам очень помогли советы Смита и Петерсона. Именно в результате совместной работы удалось внести в конструкцию много ценных новинок. Начать хотя бы с воздуха для горения. Перед непосредственным поступлением В горелку его подогревают, проводя между раскаленными стенками котла. Это обеспечивает более полное сгорание топлива, сокращает время выпуска, а также делает более высокой
температуру сгорания смеси и, стало быть, к. п. д.

Для зажигания горючей смеси в обычном паровом котле используется простая свечка. Петер Баррет сконструировал более эффективную систему — электронного зажигания. В качестве горючей смеси использован спирт-ректификат, поскольку он дешев и имеет высокое октановое число. Конечно, керосин, дизельное топливо и другие жидкие сорта тоже будут работать.

Но самое интересное здесь — конденсатор. Конденсация больших количеств пара считается главным затруднением современных паросиловых установок. Смит сконструировал радиатор с таким расчетом, чтобы использовалась водяная пыль. Конструкция работает отлично, система конденсирует влагу на 99%. Вода почти не расходуется — кроме того небольшого количества, которое все же просачивается через уплотнения.

Другая интересная новинка — система смазки. Цилиндры паровой машины обычно смазываются с помощью сложного и громоздкого устройства, распыляющего тяжелую масляную пыль в паре. Масло оседает на стенках цилиндров и затем выбрасывается с отработанным паром. Позже масло необходимо отделить от водяного конденсата и возвратить в систему смазки.

Барреты использовали химический эмульсигатор, который вбирает оба элемента — воду и масло и затем разделяет их, устраняя, таким образом, необходимость в громоздком инжекторе или механическом сепараторе. Испытания показывают, что при работе химического эмульсигатора не образуется осадков ни в паровом котле, ни в конденсаторе.

Интересен также механизм типа сцепления, который напрямую соединяет двигатель с ведущим валом и карданной передачей. Машина не имеет коробки перемены передач, скорость контролируется изменением впуска пара в цилиндры. Использование системы «впуск-выпуск» позволяет без затруднений поставить двигатель в нейтральное положение. Пар может направляться в двигатель, нагревать его и в то же самое время приводить паровой котел в положение готовности к активной работе, сохраняя в нем постоянное близкое к рабочему давление. Паровой двигатель развивает мощность 30- 50 л. с, а галлона топлива хватает на передвижение машины на расстояние 15-20 миль, что вполне сравнимо с расходом топлива у автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Контрольная система довольно сложна, но полностью автоматизирована; приходится следить только за рулевым механизмом и выбирать требуемую скорость. При испытаниях автомобиль достиг скорости около 50 миль в час, но это предел, поскольку шасси машины не соответствовало мощности двигателя.

Таков результат. Все это — пока эксперименты. Но как знать, не явимся ли мы свидетелями нового господства пара на дорогах — теперь уже не железных, а шоссейных.

Р. ЯРОВ, инженер

Моделист-конструктор 1971 год.

Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях , локомотивах , на паровых судах, тягачах , паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Позднее паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания , паровыми турбинами , электромоторами и атомными реакторами , КПД которых выше.

Паровая машина в действии

Изобретение и развитие

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном из Александрии в первом столетии — это так называемая «баня Герона», или «эолипил». Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Предполагается, что преобразование пара в механическое движение было известно в Египте в период римского владычества и использовалось в несложных приспособлениях.

Первые промышленные двигатели

Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Сейвери в 1698 году . На своё устройство Сейвери в 1698 году получил патент. Это был поршневой паровой насос, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы двигателя иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его «другом рудокопа».

Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель», который был первым паровым двигателем, на который мог быть коммерческий спрос. Это был усовершенствованный паровой двигатель Сейвери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Ньюкомен, возможно, базировался на описании экспериментов Папена, находящихся в Лондонском королевском обществе , к которым он мог иметь доступ через члена общества Роберта Гука , работавшего с Папеном.

Схема работы паровой машины Ньюкомена.
– Пар показан лиловым цветом, вода — синим.
– Открытые клапаны показаны зелёным цветом, закрытые — красным

Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Клапаны ранних двигателей Ньюкомена открывались и закрывались вручную. Первым усовершенствованием было автоматизация действия клапанов, которые приводились в движение самой машиной. Легенда рассказывает, что это усовершенствование было сделано в 1713 году мальчиком Хэмфри Поттером, который должен был открывать и закрывать клапаны; когда это ему надоедало, он связывал рукоятки клапанов верёвками и шёл играть с детьми. К 1715 году уже была создана рычажная система регулирования, приводимая от механизма самого двигателя.

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.

Хэмфри Гэйнсборо в 1760-ых годах построил модель паровой машины с конденсатором. В 1769 году шотландский механик Джеймс Уатт (возможно, использовав идеи Гейнсборо) запатентовал первые существенные усовершенствования к вакуумному двигателю Ньюкомена, которые сделали его значительно более эффективным по расходу топлива. Вклад Уатта заключался в отделении фазы конденсации вакуумного двигателя в отдельной камере, в то время как поршень и цилиндр имели температуру пара. 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. Этот двигатель уже имел основные черты современных паровых машин.

Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления (американец Оливер Эванс и англичанин Ричард Тревитик). Р.Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм , или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования.

Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (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.

Паровые машины с возвратно-поступательным движением

Двигатели с возвратно-поступательным движением используют энергию пара для перемещения поршня в герметичной камере или цилиндре. Возвратно-поступательное действие поршня может быть механически преобразовано в линейное движение поршневых насосов или во вращательное движение для привода вращающихся частей станков или колёс транспортных средств.

Вакуумные машины

Ранние паровые машины назывались вначале «огневыми машинами», а также «атмосферными » или «конденсирующими» двигателями Уатта. Они работали на вакуумном принципе и поэтому известны также как «вакуумные двигатели». Такие машины работали для привода поршневых насосов , во всяком случае, нет никаких свидетельств о том, что они использовались в иных целях. При работе паровой машины вакуумного типа в начале такта пар низкого давления впускается в рабочую камеру или цилиндр. Впускной клапан после этого закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. В двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр, и конденсат сбегает в сборник конденсата. Таким образом создаётся вакуум в цилиндре. Атмосферное давление в верхней части цилиндра давит на поршень, и вызывает его перемещение вниз, то есть рабочий ход.

Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. В году появилась версия паровой машины, созданная Уаттом в сотрудничестве с Мэттью Боултоном, основным нововведением которой стало вынесение процесса конденсации в специальную отдельную камеру (конденсатор). Эта камера помещалась в ванну с холодной водой, и соединялась с цилиндром трубкой, перекрывающейся клапаном. К конденсационной камере была присоединена специальная небольшая вакуумная помпа (прообраз конденсатного насоса), приводимая в движение коромыслом и служащая для удаления конденсата из конденсатора. Образовавшаяся горячая вода подавалась специальным насосом (прообразом питательного насоса) обратно в котёл. Ещё одним радикальным нововведением стало закрытие верхнего конца рабочего цилиндра, в верхней части которого теперь находился пар низкого давления. Этот же пар присутствовал в двойной рубашке цилиндра, поддерживая его постоянную температуру. Во время движения поршня вверх этот пар по специальным трубкам передавался в нижнюю часть цилиндра, для того, чтобы подвергнуться конденсации во время следующего такта. Машина, по сути, перестала быть «атмосферной», и её мощность теперь зависела от разницы давлений между паром низкого давления и тем вакуумом, который удавалось получить. В паровой машине Ньюкомена смазка поршня осуществлялась небольшим количеством налитой на него сверху воды, в машине Уатта это стало невозможным, поскольку в верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку смесью тавота и нефти. Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.

Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничение их эффективности, были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII века . Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора. Максимальный теоретический КПД был ограничен относительно малой разницей температур по обе стороны поршня; это делало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими.

Сжатие

Выпускное окно цилиндра паровой машины перекрывается несколько раньше, чем поршень доходит до своего крайнего положения, что оставляет в цилиндре некоторое количество отработанного пара. Это означает, что в цикле работы присутствует фаза сжатия, формирующая так называемую «паровую подушку» , замедляющую движение поршня в его крайних положениях. Кроме того, это устраняет резкий перепад давления в самом начале фазы впуска, когда в цилиндр поступает свежий пар.

Опережение

Описанный эффект «паровой подушки» усиливается также тем, что впуск свежего пара в цилиндр начинается несколько раньше, чем поршень достигнет крайнего положения, то есть присутствует некоторое опережение впуска. Это опережение необходимо для того, чтобы перед тем, как поршень начнёт свой рабочий ход под действием свежего пара, пар успел бы заполнить то мёртвое пространство, которое возникло в результате предыдущей фазы, то есть каналы впуска-выпуска и неиспользуемый для движения поршня объем цилиндра.

Простое расширение

Простое расширение предполагает, что пар работает только при расширении его в цилиндре, а отработанный пар выпускается напрямую в атмосферу или поступает в специальный конденсатор. Остаточное тепло пара при этом может быть использовано, например, для обогрева помещения или транспортного средства, а также для предварительного подогрева воды, поступающей в котёл.

Компаунд

В процессе расширения в цилиндре машины высокого давления температура пара падает пропорционально его расширению. Поскольку теплового обмена при этом не происходит (адиабатический процесс), получается, что пар поступает в цилиндр с большей температурой, чем выходит из него. Подобные перепады температуры в цилиндре приводят к снижению эффективности процесса.

Один из методов борьбы с этим перепадом температур был предложен в 1804 году английским инженером Артуром Вульфом, который запатентовал Компаундную паровую машину высокого давления Вульфа
. В этой машине высокотемпературный пар из парового котла поступал в цилиндр высокого давления, а после этого отработанный в нем пар с более низкой температурой и давлением поступал в цилиндр (или цилиндры) низкого давления. Это уменьшало перепад температуры в каждом цилиндре, что в целом снижало температурные потери и улучшало общий коэффициент полезного действия паровой машины. Пар низкого давления имел больший объём, и поэтому требовал большего объёма цилиндра. Поэтому в компаудных машинах цилиндры низкого давления имели больший диаметр (а иногда и большую длину) чем цилиндры высокого давления.

Такая схема также известна под названием «двойное расширение», поскольку расширение пара происходит в две стадии. Иногда один цилиндр высокого давления был связан с двумя цилиндрами низкого давления, что давало три приблизительно одинаковых по размеру цилиндра. Такую схему было легче сбалансировать.

Двухцилиндровые компаундные машины могут быть классифицированы как:

• Перекрёстный компаунд
  — Цилиндры расположены рядом, их паропроводящие каналы перекрещены.
• Тандемный компаунд
  — Цилиндры располагаются последовательно, и используют один шток.
• Угловой компаунд
  — Цилиндры расположены под углом друг к другу, обычно 90 градусов, и работают на один кривошип.

После 1880-х годов компаундные паровые машины получили широкое распространение на производстве и транспорте и стали практически единственным типом, используемым на пароходах. Использование их на паровозах не получило такого широкого распространения, поскольку они оказались слишком сложными, частично из-за того, что сложными были условия работы паровых машин на железнодорожном транспорте . Несмотря на то, что компаундные паровозы так и не стали массовым явлением (особенно в Великобритании, где они были очень мало распространены и вообще не использовались после 1930-х годов), они получили определённую популярность в нескольких странах.

Множественное расширение

Упрощённая схема паровой машины с тройным расширением.
Пар высокого давления (красный цвет) от котла проходит через машину, выходя в конденсатор при низком давлении (голубой цвет).

Логичным развитием схемы компаунда стало добавление в неё дополнительных стадий расширения, что увеличивало эффективность работы. Результатом стала схема множественного расширения, известная как машины тройного или даже четверного расширения. Такие паровые машины использовали серии цилиндров двойного действия, объем которых увеличивался с каждой стадией. Иногда вместо увеличения объёма цилиндров низкого давления использовалось увеличение их количества, так же, как и на некоторых компаундных машинах.

Изображение справа показывает работу паровой машины с тройным расширением. Пар проходит через машину слева направо. Блок клапанов каждого цилиндра расположен слева от соответствующего цилиндра.

Появление этого типа паровых машин стало особенно актуальным для флота, поскольку требования к размеру и весу для судовых машин были не очень жёсткими, а главное, такая схема позволяла легко использовать конденсатор, возвращающий отработанный пар в виде пресной воды обратно в котёл (использовать солёную морскую воду для питания котлов было невозможно). Наземные паровые машины обычно не испытывали проблем с питанием водой и потому могли выбрасывать отработанный пар в атмосферу. Поэтому такая схема для них была менее актуальной, особенно с учётом её сложности, размера и веса. Доминирование паровых машин множественного расширения закончилось только с появлением и широким распространением паровых турбин. Однако в современных паровых турбинах используется тот же принцип разделения потока на цилиндры высокого, среднего и низкого давления.

Прямоточные паровые машины

Прямоточные паровые машины возникли в результате попытки преодолеть один недостаток, свойственный паровым машинам с традиционным парораспределением. Дело в том, что пар в обычной паровой машине постоянно меняет направление своего движения, поскольку и для впуска и для выпуска пара применяется одно и то же окно с каждой стороны цилиндра. Когда отработанный пар покидает цилиндр, он охлаждает его стенки и парораспределительные каналы. Свежий пар, соответственно, тратит определённую часть энергии на их нагревание, что приводит к падению эффективности. Прямоточные паровые машины имеют дополнительное окно, которое открывается поршнем в конце каждой фазы, и через которое пар покидает цилиндр. Это повышает эффективность машины, поскольку пар движется в одном направлении, и температурный градиент стенок цилиндра остается более или менее постоянным. Прямоточные машины одинарного расширения показывают примерно такую же эффективность, как компаундные машины с обычным парораспределением. Кроме того, они могут работать на более высоких оборотах, и потому до появления паровых турбин часто применялись для привода электрогенераторов, требующих высокой скорости вращения.

Прямоточные паровые машины бывают как одинарного, так и двойного действия.

Паровые турбины

Паровая турбина представляет собой серию вращающихся дисков, закрепленных на единой оси, называемых ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закрепленных на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в нее подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии . Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения).

Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания.

Другие типы паровых двигателей

Применение

Паровые машины могут быть классифицированы по их применению следующим образом:

Стационарные машины

Паровой молот

Паровая машина на старой сахарной фабрике, Куба

Стационарные паровые машины могут быть разделены на два типа по режиму использования:

• Машины с переменным режимом, к которым относятся машины металлопрокатных станов , паровые лебёдки и подобные устройства, которые должны часто останавливаться и менять направление вращения.
• Силовые машины, которые редко останавливаются и не должны менять направление вращения. Они включают энергетические двигатели на электростанциях , а также промышленные двигатели, использовавшиеся на заводах, фабриках и на кабельных железных дорогах до широкого распространения электрической тяги. Двигатели малой мощности используются на судовых моделях и в специальных устройствах.

Паровая лебёдка в сущности является стационарным двигателем, но установлена на опорной раме, чтобы её можно было перемещать. Она может быть закреплена тросом за якорь и передвинута собственной тягой на новое место.

Транспортные машины

Паровые машины использовались для привода различных типов транспортных средств, среди них:

• Сухопутные транспортные средства:
  • Паровой автомобиль
  • Паровой трактор
  • Паровой экскаватор, и даже
• Паровой самолёт.

В России первый действующий паровоз был построен Е. А. и М. Е. Черепановыми на Нижне-Тагильском заводе в 1834 году для перевозки руды. Он развивал скорость 13 вёрст в час и перевозил более 200 пудов (3,2 тонны) груза. Длина первой железной дороги составляла 850 м.

Преимущества паровых машин

Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового Океана на разных глубинах.

Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга , которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.

Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов.

В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) -х годов, со множеством современных усовершенствований, таких, как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т. д. В результате такие паровозы имеют на 60% меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами.

Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса.

Коэффициент полезного действия

Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл) от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более.

Читать онлайн — Бреусов В. Принцип работы двигателя внешнего сгорания

Паровая машина

Горизонтальная стационарная двухцилиндровая паровая машина для привода заводских трансмиссий. Конец XIX в. Музей индустриальной культуры. Нюрнберг

Медиафайлы на Викискладе

Парова́я маши́на
— тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле
паровая машина
— любой двигатель внешнего сгорания, который преобразует энергию пара в механическую работу.

Первая паровая машина была построена в XVII веке французским физиком Папеном и представляла собой цилиндр с поршнем, который поднимался под действием пара, а опускался давлением атмосферы после сгущения отработавшего пара. На этом же принципе были построены в 1705 году вакуумные паровые машины Севери и Ньюкомена для выкачивания воды из копей. Значительные усовершенствования в вакуумной паровой машине были сделаны Джеймсом Уаттом в 1769 году. Дальнейшее значительное усовершенствование парового двигателя (применение на рабочем ходу пара высокого давления вместо вакуума) было сделано американцем Оливером Эвансом в 1786 году и англичанином Ричардом Тревитиком в 1800 году.

В России первая действующая паровая машина была построена в 1766 году по проекту Ивана Ползунова, предложенному им в 1763 году. Машина Ползунова имела два цилиндра с поршнями, работала непрерывно, и все действия в ней проходили автоматически. Но увидеть своё изобретение в работе И. И. Ползунову не пришлось: он умер 27 мая 1766 года, а его машина пущена в эксплуатацию на Барнаульском заводе только летом[1]. Через пару месяцев из-за поломки она перестала действовать и впоследствии была демонтирована.

Содержание

• 1 Принцип действия 1.1 Коэффициент полезного действия
• 1.2 Преимущества и недостатки

5. 5 Множественное расширение

Конфигурация

Инженеры подразделяют двигатели Стирлинга на три различных вида:

• α-Стирлинг
  — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах, один — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, с холодным — в более холодном. У данного вида двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические трудности. Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.

• β-Стирлинг
  — цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и вытеснитель, разделяющий горячую и холодную полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.

• γ-Стирлинг
  — тоже есть поршень и вытеснитель, но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется вытеснитель). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

Также существуют разновидности двигателя Стирлинга, не попадающие под вышеуказанные три классических вида:

• Роторный двигатель Стирлинга
  — решены проблемы герметичности (патент Мухина на герметичный ввод вращения (ГВВ), серебряная медаль на международной выставке в Брюсселе «Эврика-96») и громоздкости (нет кривошипно-шатунного механизма, так как двигатель роторный)[1].

• Термоакустический двигатель Стирлинга — вместо использования поршня-вытеснителя, рабочее тело движется между горячей и холодной полости за счёт явлений акустического резонанса. Такая схема позволяет уменьшить количество движущихся частей, но возникают сложности с поддержанием акустического резонанса, а также со снятием мощности.

Принцип действия

Схема паровой машины тандем: 1 — поршень, 2 — поршневой шток, 3 — ползун, 4 — шатун, 5 — кривошип, 6 — движение эксцентрикового клапана, 7 — маховик, 8 — скользящий клапан, 9 — центробежный регулятор Схема работы паровой машины двойного действия
Для работы паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям.

Принцип действия поршневой паровой машины показан на иллюстрации. Работа поршня 1 посредством штока 2, ползуна 3, шатуна 4 и кривошипа 5 передаётся главному валу 6, несущему маховик 7, который служит для снижения неравномерности вращения вала. Эксцентрик, сидящий на главном валу, с помощью эксцентриковой тяги приводит в движение золотник 8, управляющий впуском пара в полости цилиндра. Пар из цилиндра выпускается в атмосферу или поступает в конденсатор. Для поддержания постоянного числа оборотов вала при изменяющейся нагрузке паровые машины снабжаются центробежным регулятором 9, автоматически изменяющим сечение прохода пара, поступающего в паровую машину (дроссельное регулирование

, показано на рисунке), или момент отсечки наполнения (
количественное регулирование
).

Поршень образует в цилиндре паровой машины одну или две полости переменного объёма, в которых совершаются процессы сжатия и расширения, что показано кривыми зависимости давления p

от объёма
V
указанных полостей. Эти кривые образуют замкнутую линию в соответствии с тепловым циклом, по которому работает паровая машина между давлениями
p1
и
p2
, а также объёмами
V1
и
V2
. Первичный поршневой двигатель предназначен для преобразования потенциальной тепловой энергии (давления) водяного пара в механическую работу. Рабочий процесс паровой машины обусловлен периодическими изменениями упругости пара в полостях её цилиндра, объём которых изменяется в процессе возвратно-поступательного движения поршня. Пар, поступающий в цилиндр паровой машины расширяется и перемещает поршень. Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется с помощью кривошипно-шатунного механизма во вращательное движение вала. Впуск и выпуск пара осуществляются системой парораспределения. Для снижения тепловых потерь цилиндры паровой машины окружаются паровой рубашкой.

Моменты начала и конца процессов расширения и сжатия пара дают четыре основные точки реального цикла паровой машины: объём Ve

, определяемый точкой 1 начала или предварения впуска; объём конца впуска или наполнения
Е
, определяемый точкой 2 отсечки наполнения; объём предварения выпуска или конца расширения
Va
, определяемый точкой 3 предварения выпуска; объём сжатия
Vc
, определяемый точкой 4 начала сжатия. В реальной паровой машине перечисленные объёмы фиксируются парораспределительными органами.

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определён как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты, содержащейся в топливе. Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла.

КПД тепловой машины равен:

η t h = W o u t Q i n {\displaystyle \eta _{th}={\frac {W_{out}}{Q_{in}}}} ,

где Wout — механическая работа, Дж; Qin — затраченное количество теплоты, Дж.

Тепловой двигатель не может иметь КПД больший, чем у цикла Карно, в котором количество теплоты передаётся от нагревателя с высокой температурой к холодильнику с низкой температурой. КПД идеальной тепловой машины Карно зависит исключительно от разности температур, причём в расчётах используется абсолютная термодинамическая температура. Следовательно, для паровых двигателей необходимы максимально высокая температура T1 в начале цикла (достигаемая, например, с помощью пароперегрева) и как можно более низкая температура T2 в конце цикла (например, с помощью конденсатора):

η t h ≤ 1 − T 2 T 1 {\displaystyle \eta _{th}\leq 1-{\frac {T_{2}}{T_{1}}}}

Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл) от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более. Тепловая электростанция с пароперегревателем и регенеративным водоподогревом может достичь КПД в 30—42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать КПД в 50—60 %. На ТЭЦ эффективность повышается за счёт использования частично отработавшего пара для отопления и производственных нужд. При этом используется до 90 % энергии топлива и только 10 % рассеивается бесполезно в атмосфере.

Такие различия в эффективности происходят из-за особенностей термодинамического цикла паровых машин. Например, наибольшая отопительная нагрузка приходится на зимний период, поэтому КПД ТЭЦ зимой повышается.

Одна из причин снижения КПД в том, что средняя температура пара в конденсаторе несколько выше, чем температура окружающей среды (образуется т. н. температурный напор). Средний температурный напор может быть уменьшен за счёт применения многоходовых конденсаторов. Повышает КПД также применение экономайзеров, регенеративных воздухоподогревателей и других средств оптимизации парового цикла.

У паровых машин очень важным свойством является то, что изотермическое расширение и сжатие происходят при постоянном давлении, конкретно — при давлении поступающего из котла пара. Поэтому теплообменник может иметь любой размер, а перепад температур между рабочим телом и охладителем или нагревателем составляют около 1 °C. В результате тепловые потери могут быть сведены к минимуму. Для сравнения, перепады температур между нагревателем или охладителем и рабочим телом в стирлингах может достигать 100 °C.

Преимущества и недостатки

Основным преимуществом паровых машин, как двигателей внешнего сгорания, в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива (источник тепла) — от кизяка до цепной реакции деления урана.

Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового океана на разных глубинах.

Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга, которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.

Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает, а, наоборот, возрастает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки и Китая, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов.

В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) 1930-х годов, со множеством современных усовершенствований, таких как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т. д. В результате такие паровозы имеют на 60 % меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию[уточнить

]. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными тепловозами и электровозами[
уточнить
].

Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог.

Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса.

Важным преимуществом поршневых паровых двигателей является сохранение максимального крутящего момента на любых оборотах, вплоть до самых минимальных. Это даёт паровым транспортным средствам динамику, недостижимую для нормальных средств с ДВС — преодоление уклонов на любой скорости, чрезвычайно медленный ход, плавный ход без рывков и т. д., а безрельсовым обеспечивает исключительную проходимость по бездорожью, несклонность к пробуксовке.

Благодаря высокому крутящему моменту поршневые паровые двигатели так же не нуждаются в коробке скоростей и понижающем редукторе, передавая усилие непосредственно на колёса или на дифференциал ведущего моста.

Простота устройства, щадящий температурный режим и низкие обороты, характерные для поршневых паровых двигателей, значительно повышают их ресурс, что обеспечивает им высокую надёжность и долговечность.

Поршневая паровая машина способна длительно выдерживать высокие перегрузки (до 100 %), на что ДВС неспособны.

Поршневая паровая машина не требует поддержания оборотов на холостом ходу и расходует пар строго пропорционально нагрузке, что значительно улучшает её экономичность. В современных автоматизированных котлах высокого давления подача топлива может отключаться сколь угодно часто, как только расход пара прекращается, а повторный пуск происходит практически мгновенно.

Поршневая паровая машина почти бесшумна.

Сжигание топлива в специальной камере при нормальном давлении позволяет провести полное окисление без образования токсичных продуктов. Использование геотермальной энергии, энергии солнца или других естественных источников может сделать паровую машину полностью экологически чистой. В результате экологический потенциал паровых машин гораздо выше, чем у двигателей внутреннего сгорания.

История

Роберт Стирлинг
Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081). Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление узла, который он назвал «эконом».

В современной научной литературе этот узел называется «регенератор». Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. Чаще всего регенератор представляет собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа). Газ, проходя через наполнитель в одну сторону, отдаёт тепло регенератору, а при движении в другую сторону отбирает его. Регенератор может быть внешним по отношению к цилиндрам, а может быть размещён на поршне-вытеснителе в β- и γ-конфигурациях. В последнем случае размеры и вес машины оказываются меньше. Частично роль регенератора выполняет зазор между вытеснителем и стенками цилиндра (при длинном цилиндре надобность в таком устройстве вообще исчезает, но появляются значительные потери из-за вязкости газа). В α-стирлинге регенератор может быть только внешним. Он устанавливается последовательно с теплообменником, в котором происходит нагрев рабочего тела, со стороны холодного поршня.

В 1843 году его брат, Джеймс Стирлинг, использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году инвестировала в двигатель Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %. Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин.

Недостатки

• Главным минусом конструкции является ее материалоемкость.
• Рабочее тело нужно охлаждать, из-за чего габариты существенно увеличиваются.
• Для получения равных с ДВС характеристик необходимо использовать высокое давление.

  Смотреть галерею

• К рабочему телу тепло подводят через стенки теплообменников, у которых ограниченная теплопроводность.
• Чтобы изменить мощность двигателя, изменяют объем буферной емкости, среднее давление рабочего тела, фазного угла между вытеснителем и поршнем.

Отрывок, характеризующий Двигатель внешнего сгорания

Назначено было торжественное заседание ложи 2 го градуса, в которой Пьер обещал сообщить то, что он имеет передать петербургским братьям от высших руководителей ордена. Заседание было полно. После обыкновенных обрядов Пьер встал и начал свою речь. – Любезные братья, – начал он, краснея и запинаясь и держа в руке написанную речь. – Недостаточно блюсти в тиши ложи наши таинства – нужно действовать… действовать. Мы находимся в усыплении, а нам нужно действовать. – Пьер взял свою тетрадь и начал читать. «Для распространения чистой истины и доставления торжества добродетели, читал он, должны мы очистить людей от предрассудков, распространить правила, сообразные с духом времени, принять на себя воспитание юношества, соединиться неразрывными узами с умнейшими людьми, смело и вместе благоразумно преодолевать суеверие, неверие и глупость, образовать из преданных нам людей, связанных между собою единством цели и имеющих власть и силу. «Для достижения сей цели должно доставить добродетели перевес над пороком, должно стараться, чтобы честный человек обретал еще в сем мире вечную награду за свои добродетели. Но в сих великих намерениях препятствуют нам весьма много – нынешние политические учреждения. Что же делать при таковом положении вещей? Благоприятствовать ли революциям, всё ниспровергнуть, изгнать силу силой?… Нет, мы весьма далеки от того. Всякая насильственная реформа достойна порицания, потому что ни мало не исправит зла, пока люди остаются таковы, каковы они есть, и потому что мудрость не имеет нужды в насилии. «Весь план ордена должен быть основан на том, чтоб образовать людей твердых, добродетельных и связанных единством убеждения, убеждения, состоящего в том, чтобы везде и всеми силами преследовать порок и глупость и покровительствовать таланты и добродетель: извлекать из праха людей достойных, присоединяя их к нашему братству. Тогда только орден наш будет иметь власть – нечувствительно вязать руки покровителям беспорядка и управлять ими так, чтоб они того не примечали. Одним словом, надобно учредить всеобщий владычествующий образ правления, который распространялся бы над целым светом, не разрушая гражданских уз, и при коем все прочие правления могли бы продолжаться обыкновенным своим порядком и делать всё, кроме того только, что препятствует великой цели нашего ордена, то есть доставлению добродетели торжества над пороком. Сию цель предполагало само христианство. Оно учило людей быть мудрыми и добрыми, и для собственной своей выгоды следовать примеру и наставлениям лучших и мудрейших человеков.

Принцип работы паровозного двигателя. Паровой двигатель своими руками

Я живу только на угле и воде и все еще обладаю достаточной энергией, чтобы разогнаться до 100 миль в час! Это именно то, что может сделать паровоз. Хотя эти гигантские механические динозавры в настоящее время вымерли на большей части мировых железных дорог, паровые технологии живут в сердцах людей, и локомотивы, подобные этому, до сих пор служат туристическими достопримечательностями на многих исторических железных дорогах.

Первое современные паровые машины были изобретены в Англии в начале 18 века и ознаменовали начало Промышленной Революции.

Сегодня мы вновь возвращаемся к энергии пара. Из-за особенностей конструкции в процессе сгорания топлива паровой двигатель дает меньше загрязнений, чем двигатель внутреннего сгорания. В данной публикации на видео посмотрите, как он работает.

Конструкция и механизм действия паровой машины

Что питало старинный паровой двигатель?

Требуется энергия, чтобы делать абсолютно все, о чем вы только можете подумать: кататься на скейтборде, летать на самолете, ходить в магазины или водить машину по улице. Большая часть энергии, которую мы используем для транспортировки сегодня, поступает из нефти, но это было не всегда так. До начала 20-го века уголь был любимым топливом в мире, и он приводил в движение все: от поездов и кораблей до злополучных паровых самолетов, изобретенных американским ученым Сэмюэлем П. Лэнгли, ранним конкурентом братьев Райт. Что такого особенного в угле? Внутри Земли его много, поэтому он был относительно недорогим и широко доступным.

Уголь является органическим химическим веществом, что означает, что он основан на элементе углерода. Уголь образуется в течение миллионов лет, когда останки мертвых растений закапывают под камнями, сжимают под давлением и варят под действием внутреннего тепла Земли. Вот почему это называется ископаемое топливо. Комки угля – это действительно комки энергии. Углерод внутри них связан с атомами водорода и кислорода соединениями, называемыми химическими связями. Когда мы сжигаем уголь на огне, связи распадаются, и энергия выделяется в форме тепла.

Уголь содержит примерно вдвое меньше энергии на килограмм, чем более чистое ископаемое топливо, такое как бензин, дизельное топливо и керосин – и это одна из причин, по которой паровые двигатели должны сжигать так много.

Возможности в использовании энергии пара были известны в начале нашей эры. Это подтверждает прибор под названием Героновский эолипил, созданный древнегреческим механиком Героном Александрийским. Древнее изобретение можно отнести к паровой турбине, шар которой вращался благодаря силе струй водяного пара.

Приспособить пар для работы двигателей стало возможным в XVII веке. Пользовались подобным изобретением недолго, однако оно внесло существенный вклад в развитие человечества. К тому же история изобретения паровых машин очень увлекательна.

Понятие

Паровая машина состоит из теплового двигателя внешнего сгорания, который из энергии водяного пара создает механическое движение поршня, а тот, в свою очередь, вращает вал. Мощность паровой машины принято измерять в ваттах.

История изобретения

История изобретения паровых машин связана со знаниями древнегреческой цивилизации. Долгое время трудами этой эпохи никто не пользовался. В XVI веке была предпринята попытка создать паровую турбину. Работал над этим в Египте турецкий физик и инженер Такиюддин аш-Шами.

Интерес к этой проблеме вновь появился в XVII веке. В 1629 году Джованни Бранка предложил свой вариант паровой турбины. Однако изобретения теряли большое количество энергии. Дальнейшие разработки требовали соответствующих экономических условий, которые появятся позднее.

Первым, кто изобрел паровую машину, считается Дени Папен. Изобретение представляло собой цилиндр с поршнем, поднимающимся за счет пара и опускающимся в результате его сгущения. Такой же принцип работы имели устройства Сэвери и Ньюкомена (1705). Оборудование применяли для выкачивания воды из выработок при добыче полезных ископаемых.

Окончательно усовершенствовать устройство удалось Уатту в 1769 году.

Изобретения Дени Папена

Дени Папен был по образованию медиком. Родившись во Франции, в 1675 году он переехал в Англию. Он известен многими своими изобретениями. Одним из них является скороварка, которую называли «Папенов котел».

Ему удалось выявить зависимость между двумя явлениями, а именно температурой кипения жидкости (воды) и появляющимся давлением. Благодаря этому он создал герметичный котел, внутри которого давление было повышено, из-за чего вода закипала позже обычного и повышалась температура обработки помещенных в него продуктов. Таким образом увеличивалась скорость приготовления пищи.

В 1674 году медик-изобретатель создал пороховой двигатель. Его работа заключалась в том, что при возгорании пороха в цилиндре перемещался поршень. В цилиндре образовывался слабый вакуум, и атмосферное давление возвращало поршень на место. Образующиеся при этом газообразные элементы выходили через клапан, а оставшиеся охлаждались.

К 1698 году Папену удалось создать по такому же принципу агрегат, работающий не на порохе, а на воде. Таким образом, первая паровая машина была создана. Несмотря на существенный прогресс, к которому могла привести идея, существенной выгоды она своему изобретателю не принесла. Связано это было с тем, что ранее другой механик, Сейвери, уже запатентовал паровой насос, а другого применения для подобных агрегатов к этому времени еще не придумали.

Дени Папен умер в Лондоне в 1714. Несмотря на то, что первая паровая машина была изобретена им, он покинул этот мир в нужде и одиночестве.

Изобретения Томаса Ньюкомена

Более удачливым в плане дивидендов оказался англичанин Ньюкомен. Когда Папен создал свою машину, Томасу было 35 лет. Он внимательно изучил работы Сэйвери и Папена и смог понять недостатки обеих конструкций. Из них он взял все лучшие идеи.

Уже к 1712 году в сотрудничестве с мастером по стеклам и водопроводам Джоном Калли он создал свою первую модель. Так продолжилась история изобретения паровых машин.

Кратко можно пояснить созданную модель так:

• Конструкция совмещала в себе вертикальный цилиндр и поршень, как у Папена.
• Создание пара происходило в отдельном котле, который работал по принципу машины Сэйвери.
• Герметичность в паровом цилиндре достигалась за счет кожи, которой был обтянут поршень.

Агрегат Ньюкомена подымал воду из копей с помощью воздействия атмосферного давления. Машина отличалась солидными размерами и требовала для работы большого количества угля. Несмотря на эти недостатки, модель Ньюкомена использовали в шахтах полвека. Она даже позволила вновь открыть шахты, которые были заброшены из-за подтопления грунтовыми водами.

В 1722 году детище Ньюкомена доказало свою эффективность, откачав воду из корабля в Кронштадте всего за две недели. Система с ветряной мельницей смогла бы сделать это за год.

Из-за того, что машина была создана на основе ранних вариантов, английский механик не смог получить на нее патент. Конструкторы пытались применить изобретение для движения транспортного средства, но неудачно. На этом история изобретения паровых машин не прекратилась.

Изобретение Уатта

Первым изобрел оборудование компактных размеров, но достаточно мощное, Джеймс Уатт. Паровая машина была первой в своем роде. Механик из университета Глазго в 1763 году принялся чинить паровой агрегат Ньюкомена. В результате ремонта он понял, как сократить расход топлива. Для этого необходимо было держать цилиндр в постоянно нагретом состоянии. Однако паровая машина Уатта не могла быть готова, пока не решилась проблема конденсации пара.

Решение пришло, когда механик проходил мимо прачечных и заметил, что клубы пара выходят из-под крышек котлов. Он понял, что пар — это газ, и ему нужно перемещаться в цилиндре с пониженным давлением.

Добившись герметичности внутри парового цилиндра с помощью пеньковой веревки, пропитанной маслом, Уатт смог отказаться от атмосферного давления. Это стало большим шагом вперед.

В 1769 году механик получил патент, в котором прописывалось, что температура двигателя в паровой машине будет всегда равна температуре пара. Однако дела незадачливого изобретателя шли не так хорошо, как ожидалось. Он был вынужден заложить патент за долги.

В 1772 году он знакомится с Мэтью Болтоном, который был богатым промышленником. Тот выкупил и вернул Уатту его патенты. Изобретатель вернулся к работе, поддерживаемый Болтоном. В 1773 году паровая машина Уатта прошла испытание и показала, что потребляет угля значительно меньше своих аналогов. Через год в Англии начался выпуск его машин.

В 1781 году изобретателю удалось запатентовать свое следующее творение — паровую машину для приведения в движение промышленных станков. Спустя время все эти технологии позволят двигать при помощи пара поезда и пароходы. Это полностью перевернет жизнь человека.

Одним из людей, изменивших жизнь многих, стал Джеймс Уатт, паровая машина которого ускорила технический прогресс.

Изобретение Ползунова

Проект первой паровой машины, которая могла приводить в действие разнообразные рабочие механизмы, был создан в 1763 году. Разработал его русский механик И.Ползунов, работавший на горнорудных заводах Алтая.

Начальник заводов был ознакомлен с проектом и получил добро на создание устройства из Петербурга. Паровая машина Ползунова была признана, и работа по ее созданию была возложена на автора проекта. Последний хотел сперва собрать модель в миниатюре, чтобы выявить и устранить возможные недочеты, которые не видны на бумаге. Однако ему приказали начать строительство большой мощной машины.

Ползунову предоставили помощников, из которых двое были склонны к механике, а двое должны были выполнять подсобные работы. На создание паровой машины ушел один год и девять месяцев. Когда паровая машина Ползунова была почти готова, он заболел чахоткой. Умер создатель за несколько дней до проведения первых испытаний.

Все действия в машине проходили автоматически, она могла работать беспрерывно. Это было доказано в 1766 году, когда ученики Ползунова провели последние испытания. Спустя месяц оборудование было сдано в эксплуатацию.

Машина не просто окупила затраченные средства, но и дала прибыль своим владельцам. К осени котел дал течь, и работы остановились. Агрегат можно было починить, но это не заинтересовало заводское начальство. Машина была заброшена, а спустя десятилетие разобрана по ненадобности.

Принцип действия

Для работы всей системы необходим паровой котел. Образовавшийся пар расширяется и давит на поршень, в результате чего происходит движение механических частей.

Принцип действия лучше изучить с помощью иллюстрации, представленной ниже.

Если не расписывать детали, то работа паровой машины заключается в преобразовании энергии пара в механическое движение поршня.

Коэффициент полезного действия

КПД паровой машины определяется отношением полезной механической работы по отношению к затраченному количеству тепла, которое содержится в топливе. В расчет не берется энергия, которая выделяется в окружающую среду в качестве тепла.

КПД паровой машины измеряется в процентах. Практический КПД будет составлять 1-8%. При наличии конденсатора и расширении проточной части показатель может возрасти до 25%.

Преимущества

Главным преимуществом парового оборудования является то, что котел в качестве топлива может использовать любой источник тепла, как уголь, так и уран. Это существенно отличает его от двигателя внутреннего сгорания. В зависимости от типа последнего требуется определенный вид топлива.

История изобретения паровых машин показала преимущества, которые заметны и сегодня, поскольку для парового аналога можно использовать ядерную энергию. Сам по себе ядерный реактор не может преобразовывать свою энергию в механическую работу, но он способен выделять большое количество тепла. Оно то и используется для образования пара, который приведет машину в движение. Таким же образом может применяться солнечная энергия.

Локомотивы, работающие на пару, хорошо показывают себя на большой высоте. Эффективность их работы не страдает от пониженного в горах атмосферного давления. Паровозы до сих пор применяют в горах Латинской Америки.

В Австрии и Швейцарии используют новые версии паровозов, работающих на сухом пару. Они показывают высокую эффективность благодаря многим усовершенствованиям. Они не требовательны в обслуживании и потребляют в качестве топлива легкие нефтяные фракции. По экономическим показателям они сравнимы с современными электровозами. При этом паровозы значительно легче своих дизельных и электрических собратьев. Это большое преимущество в условиях горной местности.

Недостатки

К недостаткам относится, прежде всего, низкий КПД. К этому стоит добавить громоздкость конструкции и тихоходность. Особенно это стало заметно после появления двигателя внутреннего сгорания.

Применение

Кто изобрел паровую машину, уже известно. Осталось узнать, где их применяли. До середины ХХ века паровые машины применяли в промышленности. Также их использовали для железнодорожного и парового транспорта.

Заводы, которые эксплуатировали паровые двигатели :

• сахарные;
• спичечные;
• бумажные фабрики;
• текстильные;
• пищевые предприятия (в отдельных случаях).

Паровые турбины также относятся к данному оборудованию. С их помощью до сих пор работают генераторы электроэнергии. Около 80% мировой электроэнергии вырабатывается с применением паровых турбин.

В свое время были созданы различные виды транспорта, работающие на паровом двигателе. Некоторые не прижились из-за нерешенных проблем, а другие продолжают работать и в наши дни.

Транспорт с паровым двигателем:

• автомобиль;
• трактор;
• экскаватор;
• самолет;
• локомотив;
• судно;
• тягач.

Такова история изобретения паровых машин. Кратко можно рассмотреть удачный пример о гоночном автомобиле Серполле, созданном в 1902 году. На нем был установлен мировой рекорд по скорости, который составил 120 км в час на суше. Именно поэтому паровые авто были конкурентоспособными по отношению к электрическим и бензиновым аналогам.

Так, в США в 1900 году больше всего было выпущено паровых машин. Они встречались на дорогах до тридцатых годов ХХ века.

Большая часть подобного транспорта стала непопулярной после появления двигателя внутреннего сгорания, чей КПД значительно выше. Такие машины были более экономичными, при этом легкими и скоростными.

Стимпанк как веяние эпохи паровых машин

Говоря о паровых машинах, хочется упомянуть о популярном направлении — стимпанке. Термин состоит из двух английских слов — «пар» и «протест». Стимпанк — это вид научной фантастики, которая повествует о второй половине XIX века в викторианской Англии. Данный период в истории часто упоминается как Эпоха пара.

Все произведения имеют одну отличительную особенность — они повествуют о жизни второй половины XIX века, стиль повествования при этом напоминает роман Герберта Уэллса «Машина времени». В сюжетах описываются городские пейзажи, общественные строения, техника. Особое место уделяется дирижаблям, старинным машинам, причудливым изобретениям. Все металлические детали крепились при помощи клепок, поскольку сварку еще не применяли.

Термин «стимпанк» возник в 1987 году. Его популярность связана с появлением романа «Разностная машина». Написан он был в 1990 году Уильямом Гибсоном и Брюсом Стерлингом.

В начале XXI века в этом направлении было выпущено несколько известных кинофильмов:

• «Машина времени»;
• «Лига выдающихся джентльменов»;
• «Ван Хельсинг».

К предтечам стимпанка можно отнести произведения Жюля Верна и Григория Адамова. Интерес к этому направлению время от времени проявляется во всех сферах жизни — от кинематографа до повседневной одежды.

Современный мир заставляет многих изобретателей снова возвращаться к идее применения паровой установки в средствах, предназначенных для перемещения. В машинах есть возможность использовать несколько вариантов силовых агрегатов, работающих на пару.

Поршневой мотор

Современные паровые двигатели можно распределить на несколько групп:

Конструктивно установка включает в себя:

• пусковое устройство;
• силовой блок двухцилиндровый;
• парогенератор в специальном контейнере, снабженный змеевиком.

Процесс происходит следующим образом. После включения зажигания начинает поступать питание от аккумуляторной электробатареи трех двигателей. От первого в работу приводится воздуходувка, прокачивающая воздушные массы по радиатору и передающая их по воздушным каналам в смесительное устройство с горелкой.

Одновременно с этим очередной электромотор активирует насос перекачки топлива, подающий конденсатные массы из бачка по змеевидному устройству подогревательного элемента в корпусную часть отделителя воды и подогреватель, находящийся в экономайзере, в паровой генератор.
До начала запуска пару нет возможности пройти к цилиндрам, так как путь ему перекрывают клапан дросселя или золотник, которые приводятся в управление кулисной механикой. Поворачивая ручки в сторону, необходимую для передвижения, и приоткрывая клапан, механик приводит в работу паровой механизм.
Отработанные пары по единому коллектору поступают на распределительный кран, в котором разделяются на пару неодинаковых долей. Меньшая по объему часть попадает в сопло смесительной горелки, перемешивается с воздушной массой, воспламеняется от свечи. Появившееся пламя начинает подогревать контейнер. После этого продукт сгорания переходит в водоотделитель, происходит конденсирование влаги, стекающей в специальный бак для воды. Оставшийся газ уходит наружу.

Паровая установка может напрямую соединяться с приводным устройством трансмиссии машины, и с началом ее работы машина приходит в движение. Но с целью повышения кпд специалисты рекомендуют использовать механику сцепления. Это удобно при буксировочных работах и разных проверочных действиях.

Аппарат отличается способностью работать практически без ограничений, возможны перегрузки, имеется большой диапазон регулировки мощностных показателей. Следует добавить, что во время любой остановки паровой двигатель перестает работать, чего нельзя сказать про мотор.

В конструкции нет необходимости устанавливать коробку переключения скоростей, страртерное устройство, фильтр для очистки воздуха, карбюратор, турбонаддув. Кроме этого, система зажигания в упрощенном варианте, свеча только одна.

В завершении можно добавить, что производство таких машин и их эксплуатация будут обходиться дешевле, чем автомобили с двигателем внутреннего сгорания, так как топливо будет недорогим, материалы, применяемые в производстве – самыми дешевыми.

Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях , локомотивах , на паровых судах, тягачах , паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Позднее паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания , паровыми турбинами , электромоторами и атомными реакторами , КПД которых выше.

Паровая машина в действии

Изобретение и развитие

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном из Александрии в первом столетии — это так называемая «баня Герона», или «эолипил». Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Предполагается, что преобразование пара в механическое движение было известно в Египте в период римского владычества и использовалось в несложных приспособлениях.

Первые промышленные двигатели

Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Сейвери в 1698 году . На своё устройство Сейвери в 1698 году получил патент. Это был поршневой паровой насос, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы двигателя иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его «другом рудокопа».

Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель», который был первым паровым двигателем, на который мог быть коммерческий спрос. Это был усовершенствованный паровой двигатель Сейвери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Ньюкомен, возможно, базировался на описании экспериментов Папена, находящихся в Лондонском королевском обществе , к которым он мог иметь доступ через члена общества Роберта Гука , работавшего с Папеном.

Схема работы паровой машины Ньюкомена.
– Пар показан лиловым цветом, вода — синим.
– Открытые клапаны показаны зелёным цветом, закрытые — красным

Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Клапаны ранних двигателей Ньюкомена открывались и закрывались вручную. Первым усовершенствованием было автоматизация действия клапанов, которые приводились в движение самой машиной. Легенда рассказывает, что это усовершенствование было сделано в 1713 году мальчиком Хэмфри Поттером, который должен был открывать и закрывать клапаны; когда это ему надоедало, он связывал рукоятки клапанов верёвками и шёл играть с детьми. К 1715 году уже была создана рычажная система регулирования, приводимая от механизма самого двигателя.

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.

Хэмфри Гэйнсборо в 1760-ых годах построил модель паровой машины с конденсатором. В 1769 году шотландский механик Джеймс Уатт (возможно, использовав идеи Гейнсборо) запатентовал первые существенные усовершенствования к вакуумному двигателю Ньюкомена, которые сделали его значительно более эффективным по расходу топлива. Вклад Уатта заключался в отделении фазы конденсации вакуумного двигателя в отдельной камере, в то время как поршень и цилиндр имели температуру пара. 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. Этот двигатель уже имел основные черты современных паровых машин.

Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления (американец Оливер Эванс и англичанин Ричард Тревитик). Р.Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм , или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования.

Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (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.

Паровые машины с возвратно-поступательным движением

Двигатели с возвратно-поступательным движением используют энергию пара для перемещения поршня в герметичной камере или цилиндре. Возвратно-поступательное действие поршня может быть механически преобразовано в линейное движение поршневых насосов или во вращательное движение для привода вращающихся частей станков или колёс транспортных средств.

Вакуумные машины

Ранние паровые машины назывались вначале «огневыми машинами», а также «атмосферными » или «конденсирующими» двигателями Уатта. Они работали на вакуумном принципе и поэтому известны также как «вакуумные двигатели». Такие машины работали для привода поршневых насосов , во всяком случае, нет никаких свидетельств о том, что они использовались в иных целях. При работе паровой машины вакуумного типа в начале такта пар низкого давления впускается в рабочую камеру или цилиндр. Впускной клапан после этого закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. В двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр, и конденсат сбегает в сборник конденсата. Таким образом создаётся вакуум в цилиндре. Атмосферное давление в верхней части цилиндра давит на поршень, и вызывает его перемещение вниз, то есть рабочий ход.

Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. В году появилась версия паровой машины, созданная Уаттом в сотрудничестве с Мэттью Боултоном, основным нововведением которой стало вынесение процесса конденсации в специальную отдельную камеру (конденсатор). Эта камера помещалась в ванну с холодной водой, и соединялась с цилиндром трубкой, перекрывающейся клапаном. К конденсационной камере была присоединена специальная небольшая вакуумная помпа (прообраз конденсатного насоса), приводимая в движение коромыслом и служащая для удаления конденсата из конденсатора. Образовавшаяся горячая вода подавалась специальным насосом (прообразом питательного насоса) обратно в котёл. Ещё одним радикальным нововведением стало закрытие верхнего конца рабочего цилиндра, в верхней части которого теперь находился пар низкого давления. Этот же пар присутствовал в двойной рубашке цилиндра, поддерживая его постоянную температуру. Во время движения поршня вверх этот пар по специальным трубкам передавался в нижнюю часть цилиндра, для того, чтобы подвергнуться конденсации во время следующего такта. Машина, по сути, перестала быть «атмосферной», и её мощность теперь зависела от разницы давлений между паром низкого давления и тем вакуумом, который удавалось получить. В паровой машине Ньюкомена смазка поршня осуществлялась небольшим количеством налитой на него сверху воды, в машине Уатта это стало невозможным, поскольку в верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку смесью тавота и нефти. Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.

Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничение их эффективности, были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII века . Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора. Максимальный теоретический КПД был ограничен относительно малой разницей температур по обе стороны поршня; это делало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими.

Сжатие

Выпускное окно цилиндра паровой машины перекрывается несколько раньше, чем поршень доходит до своего крайнего положения, что оставляет в цилиндре некоторое количество отработанного пара. Это означает, что в цикле работы присутствует фаза сжатия, формирующая так называемую «паровую подушку» , замедляющую движение поршня в его крайних положениях. Кроме того, это устраняет резкий перепад давления в самом начале фазы впуска, когда в цилиндр поступает свежий пар.

Опережение

Описанный эффект «паровой подушки» усиливается также тем, что впуск свежего пара в цилиндр начинается несколько раньше, чем поршень достигнет крайнего положения, то есть присутствует некоторое опережение впуска. Это опережение необходимо для того, чтобы перед тем, как поршень начнёт свой рабочий ход под действием свежего пара, пар успел бы заполнить то мёртвое пространство, которое возникло в результате предыдущей фазы, то есть каналы впуска-выпуска и неиспользуемый для движения поршня объем цилиндра.

Простое расширение

Простое расширение предполагает, что пар работает только при расширении его в цилиндре, а отработанный пар выпускается напрямую в атмосферу или поступает в специальный конденсатор. Остаточное тепло пара при этом может быть использовано, например, для обогрева помещения или транспортного средства, а также для предварительного подогрева воды, поступающей в котёл.

Компаунд

В процессе расширения в цилиндре машины высокого давления температура пара падает пропорционально его расширению. Поскольку теплового обмена при этом не происходит (адиабатический процесс), получается, что пар поступает в цилиндр с большей температурой, чем выходит из него. Подобные перепады температуры в цилиндре приводят к снижению эффективности процесса.

Один из методов борьбы с этим перепадом температур был предложен в 1804 году английским инженером Артуром Вульфом, который запатентовал Компаундную паровую машину высокого давления Вульфа
. В этой машине высокотемпературный пар из парового котла поступал в цилиндр высокого давления, а после этого отработанный в нем пар с более низкой температурой и давлением поступал в цилиндр (или цилиндры) низкого давления. Это уменьшало перепад температуры в каждом цилиндре, что в целом снижало температурные потери и улучшало общий коэффициент полезного действия паровой машины. Пар низкого давления имел больший объём, и поэтому требовал большего объёма цилиндра. Поэтому в компаудных машинах цилиндры низкого давления имели больший диаметр (а иногда и большую длину) чем цилиндры высокого давления.

Такая схема также известна под названием «двойное расширение», поскольку расширение пара происходит в две стадии. Иногда один цилиндр высокого давления был связан с двумя цилиндрами низкого давления, что давало три приблизительно одинаковых по размеру цилиндра. Такую схему было легче сбалансировать.

Двухцилиндровые компаундные машины могут быть классифицированы как:

• Перекрёстный компаунд
  — Цилиндры расположены рядом, их паропроводящие каналы перекрещены.
• Тандемный компаунд
  — Цилиндры располагаются последовательно, и используют один шток.
• Угловой компаунд
  — Цилиндры расположены под углом друг к другу, обычно 90 градусов, и работают на один кривошип.

После 1880-х годов компаундные паровые машины получили широкое распространение на производстве и транспорте и стали практически единственным типом, используемым на пароходах. Использование их на паровозах не получило такого широкого распространения, поскольку они оказались слишком сложными, частично из-за того, что сложными были условия работы паровых машин на железнодорожном транспорте . Несмотря на то, что компаундные паровозы так и не стали массовым явлением (особенно в Великобритании, где они были очень мало распространены и вообще не использовались после 1930-х годов), они получили определённую популярность в нескольких странах.

Множественное расширение

Упрощённая схема паровой машины с тройным расширением.
Пар высокого давления (красный цвет) от котла проходит через машину, выходя в конденсатор при низком давлении (голубой цвет).

Логичным развитием схемы компаунда стало добавление в неё дополнительных стадий расширения, что увеличивало эффективность работы. Результатом стала схема множественного расширения, известная как машины тройного или даже четверного расширения. Такие паровые машины использовали серии цилиндров двойного действия, объем которых увеличивался с каждой стадией. Иногда вместо увеличения объёма цилиндров низкого давления использовалось увеличение их количества, так же, как и на некоторых компаундных машинах.

Изображение справа показывает работу паровой машины с тройным расширением. Пар проходит через машину слева направо. Блок клапанов каждого цилиндра расположен слева от соответствующего цилиндра.

Появление этого типа паровых машин стало особенно актуальным для флота, поскольку требования к размеру и весу для судовых машин были не очень жёсткими, а главное, такая схема позволяла легко использовать конденсатор, возвращающий отработанный пар в виде пресной воды обратно в котёл (использовать солёную морскую воду для питания котлов было невозможно). Наземные паровые машины обычно не испытывали проблем с питанием водой и потому могли выбрасывать отработанный пар в атмосферу. Поэтому такая схема для них была менее актуальной, особенно с учётом её сложности, размера и веса. Доминирование паровых машин множественного расширения закончилось только с появлением и широким распространением паровых турбин. Однако в современных паровых турбинах используется тот же принцип разделения потока на цилиндры высокого, среднего и низкого давления.

Прямоточные паровые машины

Прямоточные паровые машины возникли в результате попытки преодолеть один недостаток, свойственный паровым машинам с традиционным парораспределением. Дело в том, что пар в обычной паровой машине постоянно меняет направление своего движения, поскольку и для впуска и для выпуска пара применяется одно и то же окно с каждой стороны цилиндра. Когда отработанный пар покидает цилиндр, он охлаждает его стенки и парораспределительные каналы. Свежий пар, соответственно, тратит определённую часть энергии на их нагревание, что приводит к падению эффективности. Прямоточные паровые машины имеют дополнительное окно, которое открывается поршнем в конце каждой фазы, и через которое пар покидает цилиндр. Это повышает эффективность машины, поскольку пар движется в одном направлении, и температурный градиент стенок цилиндра остается более или менее постоянным. Прямоточные машины одинарного расширения показывают примерно такую же эффективность, как компаундные машины с обычным парораспределением. Кроме того, они могут работать на более высоких оборотах, и потому до появления паровых турбин часто применялись для привода электрогенераторов, требующих высокой скорости вращения.

Прямоточные паровые машины бывают как одинарного, так и двойного действия.

Паровые турбины

Паровая турбина представляет собой серию вращающихся дисков, закрепленных на единой оси, называемых ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закрепленных на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в нее подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии . Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения).

Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания.

Другие типы паровых двигателей

Применение

Паровые машины могут быть классифицированы по их применению следующим образом:

Стационарные машины

Паровой молот

Паровая машина на старой сахарной фабрике, Куба

Стационарные паровые машины могут быть разделены на два типа по режиму использования:

• Машины с переменным режимом, к которым относятся машины металлопрокатных станов , паровые лебёдки и подобные устройства, которые должны часто останавливаться и менять направление вращения.
• Силовые машины, которые редко останавливаются и не должны менять направление вращения. Они включают энергетические двигатели на электростанциях , а также промышленные двигатели, использовавшиеся на заводах, фабриках и на кабельных железных дорогах до широкого распространения электрической тяги. Двигатели малой мощности используются на судовых моделях и в специальных устройствах.

Паровая лебёдка в сущности является стационарным двигателем, но установлена на опорной раме, чтобы её можно было перемещать. Она может быть закреплена тросом за якорь и передвинута собственной тягой на новое место.

Транспортные машины

Паровые машины использовались для привода различных типов транспортных средств, среди них:

• Сухопутные транспортные средства:
  • Паровой автомобиль
  • Паровой трактор
  • Паровой экскаватор, и даже
• Паровой самолёт.

В России первый действующий паровоз был построен Е. А. и М. Е. Черепановыми на Нижне-Тагильском заводе в 1834 году для перевозки руды. Он развивал скорость 13 вёрст в час и перевозил более 200 пудов (3,2 тонны) груза. Длина первой железной дороги составляла 850 м.

Преимущества паровых машин

Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового Океана на разных глубинах.

Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга , которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.

Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов.

В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) -х годов, со множеством современных усовершенствований, таких, как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т. д. В результате такие паровозы имеют на 60% меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами.

Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса.

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определён как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты , содержащейся в топливе . Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла. КПД тепловой машины равен

,

Паровозы, устройство которых на фоне других технологий сегодня является примитивным, до сих пор применяются в некоторых странах. Они представляют собой автономные локомотивы, использующие в качестве двигателя паровую машину. Самые первые подобные локомотивы появились в XIX веке и сыграли ключевую роль в становлении экономики целого ряда стран.

Устройство паровоза постоянно совершенствовалось, в результате чего появлялись новые конструкции, которые сильно отличались от классической. Так возникли модели с шестернями, турбинами, без тендера.

Принцип работы и устройство паровоза

Несмотря на то, что существуют разные модификации конструкций этого транспорта, все они имеют три основные части:

• паровую машину;
• котел;
• экипаж.

В паровом котле получают пар — именно этот агрегат является первичным источником энергии, а пар — основным рабочим телом. В паровой машине оно преобразуется в возвратно-поступательное механическое движение поршня, которое в свою очередь при помощи кривошипно-шатунного механизма трансформируется во вращательное. Благодаря этому колеса паровоза вращаются. Также пар приводит в движение паровоздушный насос, паротурбогенератор и используется в свистке.

Экипаж машины состоит из ходовой части и рамы и представляет собой передвижное основание. Эти три элемента являются основными в устройстве паровоза. Также к машине может примыкать тендер — вагон, который служит хранилищем угля (топлива) и воды.

Паровой котел

При рассмотрения устройства и принципа работы паровоза начинать нужно с котла, так как это первичный источник энергии и главный компонент данной машины. К этому элементу предъявляются определенные требования: надежность и безопасность. Давление пара в установке может достигать 20 атмосфер и более, что делает его практически взрывчаткой. Нарушение работы какого-либо элемента системы может привести к взрыву, что лишит машину источника энергии.

Также данный элемент должен быть удобным в управлении, ремонте, обслуживании, быть гибким, то есть уметь работать с разным топливом (более или менее мощным).

Топка

Основной элемент котла — топка, где сжигают твердое топливо, которое подается при помощи углеподатчика. Если же машина работает на жидком топливе, то его подают через форсунки. Выделяемые в результате сгорания высокотемпературные газы передают тепло через стенки огненной коробки воде. Затем газы, отдав большую часть тепла на испарение воды и нагрев насыщенного пара, выводятся в атмосферу через дымовую трубу и искрогасительное устройство.

Образованный в котле пар аккумулируется в колпаке-сухопарнике (в верхней части). При достижении давления пара свыше 105 Па, специальный предохранительный клапан его сбрасывает, выпуская избыток в атмосферу.

Горячий пар под давлением подается через трубы к цилиндрам паровой машины, где он давит на поршень и шатунно-кривошипный механизм, приводя ко вращению ведущей оси. Отработанный пар поступает в дымовую трубу, создавая разрежение в дымовой коробке, что увеличивает поступление воздуха в топку котла.

Схема работы

То есть, если описывать принцип работы обобщенно, все кажется исключительно простым. Как выглядит схема устройства паровоза, можно увидеть и на фото, размещенном в статье.

В паровом котле сжигается топливо, которое нагревает воду. Вода преобразовывается в пар, и, по мере нагрева, давление пара в системе увеличивается. Когда оно достигает высокого значения, то его подают в цилиндр, где располагаются поршни.

За счет давления на поршни осуществляется вращение оси, и колеса приводятся в движение. Излишки пара выбрасываются в атмосферу через специальный предохранительный клапан. Кстати, роль последнего исключительно важна, ведь без него котел разорвало бы изнутри. Вот так выглядит устройство котла паровоза.

Преимущества

Как и другие типы обладают определенными достоинствами и недостатками. Плюсы следующие:

1. Простота конструкции. Из-за несложного устройства паровой машины паровоза и его котла, наладить производство на машиностроительных и металлургических заводах было несложно.
2. Надежность в работе. Упомянутая простота конструкции обеспечивает высокую надежность работы всей системе. Ломаться практически нечему, из-за чего паровозы работают в течение 100 и более лет.
3. Мощная тяга при трогании.
4. Возможность использования разных видов топлива.

Ранее было такое понятие как «всеядность». Оно применялось к паровозам и определяло возможность использовать древесину, торф, уголь, мазут в качестве топлива для этой машины. Иногда локомотивы отапливали отходами производства: разными опилками, зерновой шелухой, щепой, бракованным зерном, отслужившими смазочными материалами.

Конечно, тяговые возможности машины при этом снижались, однако это в любом случае позволяло экономить солидные средства, так как классический уголь стоит дороже.

Недостатки

Без недостатков тоже не обошлось:

1. Низкий КПД. Даже на самых совершенных паровозах КПД составлял 5-9%. Это и логично, учитывая невысокий КПД самой паровой машины (около 20%). Неэффективность сгорания топлива, большие теплопотери при передаче тепла пара от котла к цилиндрам.
2. Необходимость в огромных запасах топлива и воды. Особенно актуальной эта проблема становилась при эксплуатации машин в условиях засушливой местности (в пустынях, к примеру), где сложно раздобыть воду. Конечно, немного позже придумали паровозы с конденсацией отработанного пара, однако это не решало проблему полностью, а лишь упрощало ее.
3. Пожароопасность, объясняемая открытым огнем сгорающего топлива. Этого недостатка нет на бестопочных паровозах, но дальность их следования ограничена.
4. Дым и копоть, выбрасываемая в атмосферу. Серьезной эта проблема становится при движении паровозов в черте населенных пунктов.
5. Тяжелые условия для бригады, которая обслуживает машину.
6. Трудоемкость ремонта. Если в паровом котле что-то выходит из строя, то ремонт осуществляется долго и требует вложения средств.

Несмотря на недостатки, паровозы очень ценились, так как их использование существенно подняло уровень промышленности в разных странах. Конечно, сегодня применение подобных машин не актуально, в силу наличия более современных двигателей внутреннего сгорания и электродвигателей. Тем не менее, именно паровозы положили начало созданию железнодорожного транспорта.

В заключение

Теперь вы знаете устройство двигателя паровоза, его особенности, плюсы и минусы эксплуатации. Кстати, сегодня на железнодорожных магистралях слаборазвитых стран (например, на Кубе) эти машины до сих пор применяются. До 1996 года они использовались и в Индии. В европейских странах, США, России этот вид транспорта существует лишь в виде памятников и музейных экспонатов.

Паровые двигатели — от первой паровой машины до наших дней. История паровых машин Принцип работы паровых двигателей

ПАРОВОЙ РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ и ПАРОВОЙ АКСИАЛЬНО- ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

Паровой роторный двигатель (паровая машина роторного типа) является уникальной силовой машиной, развитие производства которой до настоящего времени не получило должного развития.

С одной стороны- разнообразные конструкции роторных двигателей существовали ещё в последней трети 19-го века и даже неплохо работали, в том числе и для привода динамо-машин с целью выработки электрической энергии и электроснабжения всяких объектов. Но качество и точность изготовления таких паровых двигателей (паровых машин) было весьма примитивным, поэтому они имели малый КПД и невысокую мощность. С тех пор малые паровые машины ушли в прошлое, но вместе с действительно малоэффективными и бесперспективными поршневыми паровыми машинами в прошлое ушли и имеющие хорошую перспективу паровые роторные двигатели.

Главная причина- на уровне технологий конца 19-го века сделать действительно качественный, мощный и долговечный роторный двигатель не представлялось возможным.
Поэтому из всего многообразия паровых двигателей и паровых машин до нашего времени благополучно и активно дожили лишь паровые турбины огромной мощности (от 20 мВт и выше), на которых сегодня осуществляется около 75% выработки электроэнергии в нашей стране. Еще паровые турбины большой мощности дают энергию от атомных реакторов в боевых подводных лодках-ракетоносцах и на больших арктических ледоколах. Но это все огромные машины. Паровые турбины резко теряют всю свою эффективность при уменьшении их размеров.

….
Именно поэтому силовых паровых машин и паровых двигателей мощности ниже 2000 — 1500 кВт (2 — 1,5 мВт), которые бы эффективно работали на паре, получаемом от сжигания дешевого твердого топлива и различных бесплатных горючих отходов, сейчас в мире нет.
Вот в этой –то пустой сегодня области техники (и абсолютно голой, но очень нуждающейся в товарном предложении коммерческой нише), в этой рыночной нише силовых машин небольшой мощности, могут и должны занять своё очень достойное место паровые роторные двигатели. И потребность в них только в нашей стране — на десятки и десятки тысяч… Особенно такие малые и средние по мощности силовые машины для автономное электрогенерации и независимого электроснабжения нуждаются малые и средние предприятия в отдаленных от больших городов и крупных электростанций местностях: — на малых лесопилках, отдаленных приисках, на полевых станах и лесных делянках, и пр. и др.
…..

..

Давайте рассмотрим показатели, из-за которых паровые роторные двигатели оказываются лучше, чем их ближайшие сородичи — паровые машины в образе поршневых паровых двигателей и паровых турбин.
…
— 1)

Роторные двигатели являются силовыми машинами объемного расширения – как поршневые двигатели. Т.е. они обладают небольшим потреблением пара на единицу мощности, потому что пар подается в их рабочие полости время от времени, и строго дозированными порциями, а не постоянным обильным потоком, как в паровых турбинах. Именно поэтому паровые роторные двигатели гораздо экономичнее паровых турбин на единицу выдаваемой мощности.
— 2)

Роторные паровые двигатели имеют плечо приложения действующих газовых сил (плечо крутящего момента) значительно (в разы) больше, чем поршневые паровые двигатели. Поэтому развиваемая ими мощность гораздо выше, чем у паровых поршневых машин.
— 3)

Паровые роторные двигатели имеют гораздо большее рабочий ход, чем поршневые паровые двигатели, т.е. имеют возможность переводить большую часть внутренней энергии пара в полезную работу.
— 4)
Паровые роторные двигатели могут эффективно работать на насыщенном (влажном) паре, без затруднений допускать конденсацию значительной части пара с переходом её в воду прямо в рабочих секциях парового роторного двигателя. Это так же повышает КПД работы паросиловой установки с использованием парового роторного двигателя.
— 5

) Паровые роторные двигатели работают на оборотах в 2-3 тыс. оборотов в минуту, что является оптимальной частотой вращения для выработки электричества, в отличие от слишком тихоходных поршневых двигателей (200-600 оборотов в минуту) традиционных паровых машин паровозного типа, или от слишком быстроходных турбин (10-20 тыс. оборотов в минуту).

При этом технологически паровые роторные двигатели относительно просты в изготовлении, что делает затраты на их изготовление относительно невысокими. В отличие от крайне дорогостоящих в производстве паровых турбин.

ИТАК, КРАТКИЙ ИТОГ ЭТОЙ СТАТЬИ
— паровой роторный двигатель является весьма эффективной паровой силовой машиной для преобразования давления пара от тепла сгорающего твердого топлива и горючих отходов в механическую мощность и в электрическую энергию.

Автором настоящего сайта, уже получены более 5 патентов на изобретения по разным аспектам конструкций паровых роторных двигателей. А так же произведено некоторое количество небольших роторных двигателей мощностью от 3 до 7 кВт. Сейчас идет проектирование паровых роторных двигателей мощностью от 100 до 200 кВт.
Но у роторных двигателей есть «родовой недостаток» — сложная система уплотнений, которые для маленьких по размерам двигателей оказываются слишком сложными, миниатюрными и дорогими в изготовлении.

При этом автором сайта ведется разработка паровых аксиально поршневых двигателей с оппозитным — встречным движением поршней. Данная компоновка является наиболее энерго — производительной по мощности вариацией из всех возможных схем применения поршневой системы.
Данные двигатели в малых размерах получаются несколько дешевле и проще роторных моторов и уплотнения в них использхуються самые традиционные и самые простые.

Внизу размещено видео использования маленького аксиально-поршневого оппозитного двигателя с встречным движением поршней.

В настоящее время идет изготовление такого аксиально-поршневого оппозитного двигателя на 30 кВт. Ресурс двигателя ожидается в несколько сотен тысячах моточасов ибо обороты парового двигателя в 3-4 раза ниже оборотов двигателя внутреннего сгорания, в пара трения «поршень- цилиндр» — подвергнута ионно -плазменному азотированию в вакуумной среде и твердость поверхностей трения составляет 62-64 ед по HRC. Подробно о процессе упрочения поверхности методом азотирования смотри .

Вот анимация принципа работы похожего по компоновке такого аксиально- поршневого оппозитного двигателя с встречным движением поршней

Паровой двигатель

Сложность изготовления: ★★★★☆

Время изготовления: Один день

Подручные материалы: ████████░░ 80%

В этой статье я расскажу вам о том, как сделать паровой двигатель своими руками. Двигатель будет небольшой, однопоршневой с золотником. Мощности вполне хватит, чтобы вращать ротор небольшого генератора и использовать этот двигатель в качестве автономного источника электричества в походах.

• Телескопическая антенна (можно снять со старого телевизора или радиоприёмника), диаметр самой толстой трубки должен составлять не менее 8 мм
• Маленькая трубка для поршневой пары (магазин сантехники).
• Медная проволока с диаметром около 1,5 мм (можно найти в катушке трансформатора или радиомагазине).
• Болты, гайки, шурупы
• Свинец (в рыболовном магазине или найти в старом автомобильном аккумуляторе). Он нужен, чтобы отлить маховик в форме. Я нашёл готовый маховик, но вам этот пункт может пригодиться.
• Деревянные бруски.
• Спицы для велосипедных колёс
• Подставка (в моём случае из листа текстолита толщиной 5 мм, но подойдёт и фанера).
• Деревянные бруски (куски досок)
• Банка из под оливок
• Трубка

• Суперклей, холодная сварка, эпоксидная смола (стройрынок).
• Наждак
• Дрель
• Паяльник
• Ножовка

Как сделать паровой двигатель

Схема двигателя

Цилиндр и золотниковая трубка.

Отрезаем от антенны 3 куска:
? Первый кусок 38 мм длиной и 8 мм диаметром (сам цилиндр).
? Второй кусок длиной 30 мм и 4 мм диаметром.
? Третий длиной 6 мм и 4 мм диаметром.

Возьмём трубку №2 и сделаем в ней отверстие диаметром 4 мм посередине. Возьмем трубку №3 и приклеим перпендикулярно трубке №2, после высыхания суперклея, замажем все холодной сваркой (например POXIPOL).

Крепим круглую железную шайбу с отверстием посредине к куску №3 (диаметр — чуть больше трубки №1), после высыхания укрепляем холодной сваркой.

Дополнительно покрываем все швы эпоксидной смолой для лучшей герметичности.

Как сделать поршень с шатуном

Берём болт (1) диаметром 7 мм и зажимаем его в тисках. Начинаем наматывать на него медную проволоку (2) примерно на 6 витков. Каждый виток промазываем суперклеем. Лишние концы болта спиливаем.

Проволоку покрываем эпоксидкой. После высыхания, подгоняем поршень шкуркой под цилиндр так, чтобы он свободно там двигался, не пропуская воздух.

Из листа алюминия делаем полоску длиной 4 мм и длиной 19 мм. Придаём ей форму буквы П (3).

Сверлим на обоих концах отверстия (4) 2 мм диаметром, чтобы можно было засунуть кусочек спицы. Стороны П-образной детали должны быть 7х5х7 мм. Клеим её к поршню стороной, которая 5 мм.

Шатун (5) делаем из велосипедной спицы. К обоим концам спицы приклеиваем на два маленьких кусочка трубок (6) от антенны диаметром и длиной по 3 мм. Расстояние между центрами шатуна составляет 50 мм. Далее шатун одним концом вставляем в П-образную деталь и шарнирно фиксируем спицей.

Спицу с двух концов подклеиваем, чтобы не выпала.

Шатун треугольника

Шатун треугольника делается похожим способом, только с одной стороны будет кусок спицы, а с другой трубка. Длина шатуна 75 мм.

Треугольник и золотник

Из листа металла вырезаем треугольник и сверлим сверлим в нем 3 отверстия.
Золотник. Длина поршня золотника составляет 3,5 мм, и он должен свободно перемещаться по трубке золотника. Длина штока зависит от размеров вашего маховика.

Кривошип поршневой тяги должен быть 8 мм, а кривошип золотника — 4 мм.

• Паровой котёл

  Паровым котлом будет служить банка из под оливок с запаянной крышкой. Также я впаял гайку, чтобы через неё можно было заливать воду и герметично закручивать болтом. Также припаял трубку к крышке.
  Вот фото:

  Фото двигателя в сборе

  Собираем двигатель на деревянной платформе, размещая каждый элемент на подпорке

  Видео работы парового двигателя

• Версия 2.0

  Косметическая доработка двигателя. Бак теперь имеет свою собственную деревянную площадку и блюдце для таблетки сухого горючего. Все детали покрашены в красивые цвета. Кстати в качестве источника тепла лучше всего использовать самодельную

Процесс изобретения парового двигателя, как это часто бывает в технике, растянулся чуть ли не на столетие, поэтому выбор даты для этого события достаточно условен. Впрочем, никем не отрицается, что прорыв, приведший к технологической революции, был осуществлен шотландцем Джеймсом Уаттом.

Над использованием пара в качестве рабочего тела люди задумывались еще в глубокой древности. Однако лишь на рубеже XVII–XVIII вв. удалось найти способ производить полезную работу с помощью пара. Одна из первых попыток поставить пар на службу человеку была предпринята в Англии в 1698 г.: машина изобретателя Сэйвери предназначалась для осушения шахт и перекачивания воды. Правда, изобретение Сэйвери еще не было двигателем в полном смысле этого слова, поскольку, кроме нескольких клапанов, открывавшихся и закрывавшихся вручную, в нем не имелось подвижных частей. Машина Сэйвери работала следующим образом: сначала герметичный резервуар наполнялся паром, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, отчего пар конденсировался, и в резервуаре создавался частичный вакуум. После этого вода – например, со дна шахты – засасывалась в резервуар через заборную трубу и после впуска очередной порции пара выбрасывалась наружу.

Первая паровая машина с поршнем была построена французом Дени Папеном в 1698 г. Вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем, и образовавшийся пар толкал поршень вверх. Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень опускался вниз под действием атмосферного давления. Посредством системы блоков паровая машина Папена могла приводить в действие различные механизмы, например насосы.

Более совершенную машину в 1712 г. построил английский кузнец Томас Ньюкомен. Как и в машине Папена, поршень перемещался в вертикальном цилиндре. Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. При впрыскивании в цилиндр холодной воды пар конденсировался, в цилиндре образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом, двигавшимся наподобие качелей, поднимал вверх шток насоса. Когда поршень находился в нижней точке своего хода, в цилиндр снова поступал пар, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса или на коромысле, поршень поднимался в исходное положение. После этого цикл повторялся.

Машина Ньюкомена широко использовалась в Европе более 50 лет. В 1740‑х годах машина с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняла работу, которую бригада из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, выполняла за неделю. И все‑таки ее КПД был чрезвычайно низок.

Наиболее ярко промышленная революция проявилась в Англии, прежде всего в текстильной промышленности. Несоответствие предложения тканей и стремительно возрастающего спроса привлекло лучшие конструкторские умы к разработке прядильных и ткацких машин. В историю английской техники навсегда вошли имена Картрайта, Кея, Кромптона, Харгривса. Но созданные ими прядильные и ткацкие станки нуждались в качественно новом, универсальном двигателе, который бы непрерывно и равномерно (именно этого не могло обеспечить водяное колесо) приводил станки в однонаправленное вращательное движение. Вот здесь‑то во всем своем блеске предстал талант знаменитого инженера, «волшебника из Гринока» Джеймса Уатта.

Уатт родился в шотландском городке Гринок в семье кораблестроителя. Работая учеником в мастерских в Глазго, за первые два года Джеймс приобрел квалификацию гравировщика, мастера по изготовлению математических, геодезических, оптических приборов, различных навигационных инструментов. По совету дяди‑профессора Джеймс поступил в местный университет на должность механика. Именно здесь Уатт начал работать над паровыми машинами.

Джеймс Уатт пытался усовершенствовать пароатмосферную машину Ньюкомена, которая, в общем‑то, годилась только для перекачивания воды. Ему было ясно, что основной недостаток машины Ньюкомена состоял в попеременном нагревании и охлаждении цилиндра. В 1765 г. Уатт пришел к мысли, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если до конденсации отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. Кроме того, Уатт сделал еще несколько усовершенствований, окончательно превративших паро‑атмосферную машину в паровую. Например, он изобрел шарнирный механизм – «параллелограмм Уатта» (называется так потому, что часть звеньев – рычагов, входящих в его состав, образует параллелограмм), который преобразовывал возвратно‑поступательное движение поршня во вращательное движение главного вала. Теперь ткацкие станки могли работать непрерывно.

В 1776 г. машина Уатта прошла испытания. Ее КПД оказался вдвое больше, чем у машины Ньюкомена. В 1782 г. Уатт создал первую универсальную паровую машину двойного действия. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Поэтому поршень совершал и рабочий, и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах. Поскольку в паровой машине двойного действия шток поршня совершал тянущее и толкающее действие, прежнюю приводную систему из цепей и коромысла, которая реагировала только на тягу, пришлось переделать. Уатт разработал систему связанных тяг и применил планетарный механизм для преобразования возвратно‑поступательного движения штока поршня во вращательное движение, использовал тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара. Запатентованная Уаттом «ротативная паровая машина» сначала широко применялась на прядильных и ткацких фабриках, а позже и на других промышленных предприятиях. Двигатель Уатта годился для любой машины, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самодвижущихся механизмов.

Паровая машина Уатта поистине стала изобретением века, положившим начало промышленной революции. Но изобретатель на этом не ограничился. Соседи не раз с удивлением наблюдали за тем, как Уатт гоняет по лугу лошадей, тянущих специально подобранные тяжести. Так появилась единица мощности – лошадиная сила, получившая впоследствии всеобщее признание.

К сожалению, финансовые трудности вынудили Уатта уже в зрелом возрасте проводить геодезические изыскания, работать на строительстве каналов, сооружать порты и пристани, пойти, наконец, на экономически кабальный союз с предпринимателем Джоном Ребеком, потерпевшим вскоре полный финансовый крах.

12 апреля 1933 г. Уильям Беслер стартовал с муниципального аэродрома города Окленд в Калифорнии на самолете с паровым двигателем.
Газеты написали:

«Взлет был нормальным во всех отношениях, за исключением отсутствия шума. Фактически, когда самолет уже отделился от земли, наблюдателям казалось, что он не набрал еще достаточной скорости. На полной мощности шум был заметен не более, чем при планирующем самолете. Можно было слышать только свист воздуха. При работе на полном паре винт производил только небольшой шум. Можно было различать через шум винта звук пламени…

Когда самолет шел на посадку и пересекал границу поля, то винт останавливался и пускался медленно в обратную сторону с помощью перевода реверса и последующего малого открывания дросселя. Даже при очень медленном обратном вращении винта снижение заметно становилось круче. Немедленно после касания земли пилот давал полный задний ход, который вместе с тормозами быстро останавливал машину. Краткий пробег особенно был заметен в этом случае, так как во время испытания была безветренная погода, и обычно пробег при посадке достигал нескольких сот футов».

В начале XX века рекорды высоты, достигнутой самолетами, ставились чуть ли не ежегодно:

Стратосфера сулила немалые выгоды для полета: меньшее сопротивление воздуха, постоянство ветров, отсутствие облачности, скрытность, недосягаемость для ПВО. Но как взлететь на высоту, например, 20 километров?

Мощность [бензинового] мотора падает быстрее, чем плотность воздуха.

На высоте 7000 м мощность мотора уменьшается почти в три раза. С целью повышения высотных качеств самолетов еще в конце империалистической войны делались попытки применять наддув, в период 1924-1929 гг. нагнетатели еще больше внедряются в производство. Однако обеспечить сохранение мощности двигателя внутреннего сгорания на высотах свыше 10 км становится все труднее.

Стремясь поднять «предел высоты», конструкторы всех стран все чаще и чаще обращают свои взоры на паровую машину, имеющую ряд преимуществ в качестве высотного двигателя. Отдельные страны, как, например, Германию, толкнули на этот путь и стратегические соображения, а именно — необходимость на случай большой войны добиться независимости от привозной нефти.

За последние годы были сделаны многочисленные попытки установить паровой двигатель на самолет. Быстрый рост авиационной промышленности накануне кризиса и монопольные цены на ее продукцию позволили не спешить с реализацией опытных работ и накопившихся изобретений. Эти попытки, принявшие особый размах в период экономического кризиса 1929-1933 гг. и наступившей затем депрессии, — не случайное явление для капитализма. В печати, в особенности в Америке и Франции, часто бросались упреки крупным концернам о наличии у них соглашений об искусственной задержке реализации новых изобретений.

Наметились два направления. Одно представлено в Америке Беслером, установившим на самолет обычную поршневую машину, другое же обусловлено применением турбины в качестве авиационного двигателя и связано, главным образом, с работами немецких конструкторов.

Братья Беслер взяли за основу поршневую паровую машину Добля для автомобиля и установили ее на биплан Тревел-Эр [описание их демонстрационного полета приведено в начале поста].
Видео того полета:

Машина снабжена реверсивным механизмом, при помощи которого можно легко и быстро изменять направление вращения вала машины не только в полете, но и при посадке самолета. Двигатель помимо пропеллера приводит в движение через соединительную муфту вентилятор, нагнетающий воздух в горелку. При старте пользуются небольшим электрическим моторчиком.

Машина развивала мощность в 90 л.с., но в условиях известной форсировки котла ее мощность можно довести до 135 л. с.
Давление пара в котле 125 aт. Температура пара поддерживалась около 400-430°. В целях максимальной автоматизации работы котла был применен нормализатор или прибор, помощью которого вода впрыскивалась под известным давлением в перегреватель, как только температура пара превышала 400°. Котел был снабжен питательным насосом и паровым приводом, а также первичным и вторичным подогревателями питающей воды, обогреваемыми отработанным паром.

На самолете были установлены два конденсатора. Более мощный переделан из радиатора мотора ОХ-5 и установлен сверху фюзеляжа. Менее мощный сделан из конденсатора парового автомобиля Добля и расположен под фюзеляжем. Производительность конденсаторов, как утверждали в печати, оказалась недостаточной для работы паровой машины на полном дросселе без выпуска в атмосферу «и приблизительно соответствовала 90% крейсерской мощности». Опыты показали, что при расходе 152 л горючего необходимо было иметь 38 л воды.

Общий вес паровой установки самолета составлял 4,5 кг на 1 л. с. По сравнению с мотором ОХ-5, работавшим на этом самолете, это давало лишний вес в 300 фунтов (136 кг). Не подлежит сомнению, что вес всей установки мог быть значительно снижен при облегчении деталей двигателя и конденсаторов.
Топливом служил газойль. В печати утверждали, что «между включением зажигания и пуском на полный ход прошло не более 5 мин.».

Другое направление в развитии паросиловой установки для авиации связано с использованием паровой турбины в качестве двигателя.
В 1932-1934 гг. в иностранную печать проникли сведения о сконструированной в Германии на электрозаводе Клинганберга оригинальной паровой турбине для самолета. Автором ее называли главного инженера этого завода Хютнера.
Парообразователь и турбина вместе с конденсатором здесь были объединены в один вращающийся агрегат, имеющий общий корпус. Хютнер замечает: «Двигатель представляет силовую установку, отличительная характерная особенность которой состоит в том, что вращающийся генератор пара образует одно конструктивное и эксплоатационное целое с вращающейся в противоположном направлении турбиной и конденсатором».
Основной частью турбины является вращающийся котел, образованный из целого ряда V-образных трубок, причем одно колено этих трубок соединено с коллектором для питательной воды, другое — с паросборником. Котел показан на фиг. 143.

Трубки расположены радиально вокруг оси и вращаются со скоростью в 3000-5000 об/мин. Поступающая в трубки вода устремляется под действием центробежной силы в левые ветви V-образных трубок, правое колено которых выполняет роль генератора пара. Левое колено трубок имеет ребра, нагреваемые пламенем от форсунок. Вода, проходя мимо этих ребер, превращается в пар, причем под действием центробежных сил, возникающих при вращении котла, происходит повышение давления пара. Давление регулируется автоматически. Разность плотностей в обеих ветвях трубок (пар и вода) дает переменную разность уровней, являющуюся функцией центробежной силы, а следовательно, и скорости вращения. Схема такого агрегата показана на фиг. 144.

Особенностью конструкции котла является расположение трубок, при котором во время вращения создается разрежение в камере сгорания, и таким образом котел выполняет как бы роль всасывающего вентилятора. Таким образом, как утверждает Хютнер, «вращением котла обусловливаются одновременно и питание его, и движение горячих газов, и движение охлаждающей воды».

Пуск турбины в ход требует всего 30 сек. Хютнер рассчитывал получить к. п. д. котла 88% и к. п. д. турбины 80%. Турбина и котел нуждаются для запуска в пусковых моторах.

В 1934 г. в печати промелькнуло сообщение о разработке проекта большого самолета в Германии, оборудованного турбиной с вращающимся котлом. Два года спустя во французской прессе утверждали, что в условиях большой засекреченности военным ведомством в Германии построен специальный самолет. Для него сконструирована паросиловая установка системы Хютнера мощностью в 2500 л. с. Длина самолета 22 м, размах крыльев 32 м, полетный вес (приблизительный) 14 т, абсолютный потолок самолета 14000 м, скорость полета на высоте в 10000 м — 420 км/час, подъем на высоту 10 км — 30 минут.
Весьма возможно, что эти сообщения в печати значительно преувеличены, но несомненно, что германские конструкторы работают над этой проблемой, и предстоящая война может здесь принести неожиданные сюрпризы.

В чем же заключается преимущество турбины перед двигателем внутреннего сгорания?
1. Отсутствие возвратно-поступательного движения при высоких скоростях вращения позволяет сделать турбину довольно компактной и меньших размеров, нежели современные мощные авиационные моторы.
2. Важным преимуществом является также относительная бесшумность работы парового двигателя, что важно как с точки зрения военной, так и в смысле возможности облегчения самолета за счет звукоизолирующего оборудования на пассажирских самолетах.
3. Паровая турбина, не в пример моторам внутреннего сгорания, почти не допускающим перегрузки, может быть перегружаема на короткий период до 100% при постоянной скорости. Это преимущество турбины дает возможность уменьшить длину разбега самолета и облегчает его подъем в воздух.
4. Простота конструкции и отсутствие большого количества подвижных и срабатывающихся деталей составляют также немаловажное преимущество турбины, делая ее более надежной и долговечной по сравнению с двигателями внутреннего сгорания.
5. Существенное значение имеет также отсутствие на паровой установке магнето, на работу которого можно воздействовать с помощью радиоволн.
6. Возможность использовать тяжелое топливо (нефть, мазут) помимо экономических преимуществ обусловливает большую безопасность парового двигателя в пожарном отношении. Создается к тому же возможность теплофицировать самолет.
7. Главное же преимущество парового двигателя заключается в сохранении его номинальной мощности с подъемом на высоту.

Одно из возражений против парового двигателя исходит, главным образом, от аэродинамиков и сводится к размерам и возможностям охлаждения конденсатора. Действительно, паровой конденсатор имеет поверхность в 5-6 раз большую, нежели водяной радиатор двигателя внутреннего сгорания.
Вот почему, стремясь снизить лобовое сопротивление такого конденсатора, конструкторы пришли к размещению конденсатора непосредственно по поверхности крыльев в виде сплошного ряда трубок, следующих точно контуру и профилю крыла. Помимо придания значительной жесткости это уменьшит и опасность обледенения самолета.

Имеется, конечно, еще целый ряд других технических трудностей в эксплоатации турбины на самолете.
— Неизвестно поведение форсунки на больших высотах.
— Для изменения быстрой нагрузки турбины, что является одним из условий работы авиационного двигателя, необходимо иметь либо запас воды, либо паросборник.
— Известные трудности представляет и разработка хорошего автоматического устройства для регулировки турбины.
— Неясно также и гироскопическое действие быстро вращающейся турбины на самолете.

Все же достигнутые успехи дают основания надеяться, что в ближайшее время паровая силовая установка найдет свое место в современном воздушном флоте, в особенности на транспортных коммерческих самолетах, а также на больших дирижаблях. Самое трудное в этой области уже сделано, и практики-инженеры сумеют добиться конечного успеха.

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 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

Паровой «болид» идет на рекорд

Наука

12 Января 2005 18:0112 Янв 2005 18:01

|

Поделиться

Развеять миф о том, что агрегаты на паровых двигателях -
тихоходные и отчаянно дымящие монстры, время которых давно
прошло, призвана, как сообщает ВВС, гоночная машина Inspiration, созданная британскими инженерами.

Уже не один десяток лет о новинках из мира паровых машин не
говорится в выпусках новостей. Тем более не слышно о том,
что чтобы машина с «архаичным» движителем пыталась побить
мировой рекорд скорости, а не долголетия.




Нарушить «заговор умолчания» вокруг паровых машин решился
британский инженер-конструктор Глинн Баушер (Glynne Bowsher) со своей командой. Они почти завершили работу над созданием сверхбыстрого парового
транспортного средства, внешне напоминающего «Бэтмобиль». Эта
машина под названием Inspiration (Вдохновение) призвана открыть перед старой доброй паровой машиной новые перспективы.




Глинн Баушер — не новичок в гоночном мире и не понаслышке
знаком с требованиями, предъявляемыми к таким машинам и к их двигательным установкам. Именно он, в частности, создал
первый автомобиль, преодолевший звуковой барьер на земле.
Его команда, носящая название British Steam Car Challenge
(BSCC), надеется побить не только давний рекорд скорости
для экипажей на паровой тяге, но и вдохновить других ученых
на работы в области альтернативных источников энергии. В качестве возможных кандидатов рассматриваются водород, природный газ и даже
смесь водорода с метаном. Особенно популярен среди конструкторов в наши дни водород. Тем не менее, широкому его применению мешает отсутствие
эффективных способов производства и, что еще важнее, хранения водородного топлива.




Глинн Баушер уверен, что пока такого решения не найдено,
стоит обратить внимание на старую добрую
паровую машину. Двигатели
внешнего сгорания — такие, как паровой — имеют ряд
достоинств в сравнении со знакомыми нам двигателями внутреннего
сгорания. В частности, они «чище» и вырабатывают
меньше вредных окисей азота, чем стандартные современные
двигатели, поскольку максимальные температуры и давление в них ниже.




Даже несмотря на то, что паровые двигатели, как и другие,
сжигают обычное углероводородное горючее, принцип их работы
и устройство позволяют эффективнее контролировать выделение
и выбросы двуокиси углерода.




Последний рекорд скорости для автомобиля на паровом
двигателе, появившегося в далеком 1769 году, был установлен
почти столетие назад — в 1906 году. Тогда
автомобиль Stanley Steamer под управлением Фреда Мэрриотта
развил скорость в 205,5 км/ч, оставив позади четыре других
машины на двигателях внутреннего сгорания. Тем не менее,
создание парового двигателя, способного побиться за рекорд
скорости в XXI веке, оказалось не такой уж простой задачей.




«В общем, нам пришлось придумать свою собственную конструкцию
двигателя, в некоторой степени инновационную», — говорит
Глинн Баушер. Конструкция двигателя оказалась настолько оригинальной, что
авторы планируют запатентовать ее. Правда, принцип работы
парового двигателя прост. Вода проходит через парогенератор, где превращается в пар, который при температуре в 400 градусов и при давлении
примерно в 40 атмосфер (4 млн. Паскалей) поступает в двухступенчатую турбину.


Дроны, роботы и VR: какие инновации востребованы в металлургии

Инновации для промышленности



«Поднимающийся пар заставляет вращаться секции турбины,
почти как небольшая электростанция, — объясняет Баушер. -
Круговое движение турбины через систему передач поступает
на колеса, а когда крутятся колеса, мы едем — и очень
быстро. »




Несмотря на кажущуюся простоту, с технологической точки
зрения оказалось очень сложно выработать 300 лошадиных сил
мощности в таком небольшом пространстве. Тем не менее,
британские конструкторы справились с задачей. Получился
двигатель, способный достигать 225 кВт при 12000 оборотах в минуту. Двигатели Формулы-1 обычно работают в районе 17000
оборотов, а авиационные турбины — от 85000 и выше.




Баушер, однако, не считает, что паровые автомобили смогут
заменить нынешние машины на городских улицах. «Паровые турбины применялись и в прошлом, — говорит он. — Но проблема заключается в том, что для эффективной работы им необходимо функционировать на определенной скорости.
Однако сама природа городских автомобилей предполагает, что их скорость постоянно меняется, так что наша разработка в этой области окажется бесполезной». Однако, по его словам, эта технология вполне могла бы заменить
дизельные двигатели на тяжелых грузовых автомобилях и на автобусах. Дело только за адаптацией нового двигателя. Создатели паровой машины для XXI века уже изучают такую возможность.

• Какой дисплей для смартфона лучше: AMOLED или IPS?

Паровая турбина (машина), как первооткрыватель двигателя внутреннего сгорания. Особенности и принцип работы первых моторов

 
Добрый день, сегодня мы расскажем о том, что такое паровая турбина (машина), как она повлияла на создание современных двигателей внутреннего сгорания, а также, кто изобрел первые моторы и, каково было их устройство и строение. 
Хотим также порекомендовать вам к прочтению нашу статью: «Газовый мотор Отто — родоначальник бензинового двигателя«.

Ленуар, Отто, Даймлер, Дизель – это именно те 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.
{banner_adsensetext}
Стоит заметить, 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, КАК 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.

{banner_reczagyand}
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 Александрийский 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.

БЛАГОДАРИМ ВАС ЗА ВНИМАНИЕ. ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ НА НАШИ НОВОСТИ. ДЕЛИТЕСЬ С ДРУЗЬЯМИ.

Паровой двигатель | Encyclopedia.com

буря

просмотров обновлено 27 июня 2018

История

Работа паровой машины

Ресурсы

Ресурсы

движения поршня в цилиндре. Как двигатель внешнего сгорания — поскольку он сжигает свое топливо вне двигателя — паровой двигатель направляет свой пар в цилиндр, где пар затем толкает поршень вперед и назад. Именно при таком движении поршня двигатель может совершать механическую работу. Паровая машина была основным источником энергии промышленной революции (которая началась в Англии в восемнадцатом веке) и доминировала в промышленности и на транспорте в течение 150 лет. Он по-прежнему полезен сегодня в определенных ситуациях и во многих развивающихся странах.

Самыми ранними известными паровыми двигателями были новинки, созданные греческим инженером и математиком Героном (Героном) Александрийским (ок. 10–70), жившим в первом веке нашей эры. Его самое известное изобретение называлось элиопилом. Это изобретение представляло собой небольшую полую сферу, к которой были прикреплены две изогнутые трубки. Сфера была прикреплена к котлу, который производил пар. Когда пар выходил из полых трубок сферы, сама сфера начинала вращаться. Герой и несколько других греков разработали множество других паровых устройств, таких как паровой орган и автоматические двери, но всегда в контексте игры и, по-видимому, без какого-либо интереса к практическому использованию пара. Тем не менее, их работа установила принцип силы пара, а их игровые устройства были реальной демонстрацией преобразования силы пара в какое-то движение.

Хотя греки установили принцип действия пара, в Европе его игнорировали более 1500 лет до конца 1600-х годов. В течение этого длительного периода основными источниками энергии были сначала сила человеческих мышц или тягловых животных, а позже энергия ветра и воды. Ветряные мельницы и водяные колеса подходили для медленных, повторяющихся работ, таких как перемалывание кукурузы, в которых перебои в подаче электроэнергии не имели большого значения. Однако для некоторых работ, таких как откачка воды из шахты, источник энергии, который мог отключиться в любой момент, не всегда был удовлетворительным. Фактически, сама глубина английских шахт побудила инженеров искать насосы, которые были бы быстрее старых водяных насосов. К середине шестнадцатого века работа над воздушными насосами установила представление о поршне, работающем в цилиндре, и примерно в 1680 году французский физик Дени Папен (1647–1712) налил немного воды на дно трубы, нагрел ее, превратил он превратился в пар и увидел, что расширившийся пар с силой толкнул поршень прямо перед собой. Когда трубка остыла, поршень вернулся в прежнее положение. Хотя Папен прекрасно осознавал, что создал двигатель, который в конечном итоге мог работать, его отпугнули вполне реальные механические трудности того времени, и он решил работать в меньшем масштабе, создав первую в мире скороварку.

Вслед за Папеном английский военный инженер Томас Савери (ок. 1650–1715) построил то, что большинство считает первой практической паровой машиной. В отличие от системы Папена, у этой машины не было поршня, поскольку Савери хотел только брать воду из угольных шахт глубоко под землей. Зная, что он может использовать пар для создания вакуума в сосуде, он соединил такой сосуд с трубкой, ведущей в воду внизу. Затем вакуум втягивал воду в трубку и выдувал ее под давлением пара. Система Савери была названа «Друг шахтера», поскольку она поднимала воду из шахт с помощью всасывания, создаваемого конденсацией пара. Несколько лет спустя английский инженер и партнер Савери Томас Ньюкомен (1663–1729 гг.) улучшил паровой насос, вернув поршень. К 1712 году он построил двигатель, в котором использовался пар атмосферного давления (обычный кипяток), и его было довольно легко построить. Его поршневой двигатель был очень надежным и стал широко использоваться в Англии примерно в 1725 году. Его машину называли балочной, потому что на ее вершине была огромная качающаяся балка или качающаяся балка, движение которой передавало мощность от единственного цилиндра двигателя к двигателю. Помпа.

Понимание того, как работала машина Ньюкомена, поможет понять все более поздние паровые машины. Во-первых, вся машина находилась в машинном отделении высотой примерно в три этажа, из верхней стены которого торчала длинная дубовая балка, которая могла раскачиваться вверх и вниз. Дом был построен в стороне от шахты. Внизу вала находился водяной насос, который соединялся с двигателем длинной насосной штангой. Под балкой внутри дома находился длинный латунный цилиндр, стоявший на кирпичном котле. Котел питался углем и давал пар. Внутри цилиндра находился поршень, который мог скользить вверх и вниз и был соединен с балкой наверху. Двигатель всегда запускался с поршнем в верхнем положении. Затем пар заполнил цилиндр из открытого клапана. При заполнении цилиндр обрызгивался водой, в результате чего пар внутри конденсировался в воду и создавал частичный вакуум. В этом изобретении давление наружного воздуха заставляло поршень опускаться, который раскачивал балку, поднимал штоки насоса и всасывал около 12 галлонов (45 л) воды. Затем поршень возвращался в исходное положение (вверх) в цилиндре, и процесс повторялся. Помимо того, что его называли лучевым двигателем, двигатель Ньюкомена также называли атмосферным двигателем, поскольку он использовал давление воздуха для перемещения поршня (вниз).

Самое важное усовершенствование конструкции паровой машины было сделано шотландским инженером Джеймсом Уаттом (1736–1819). В 1763 году Ватта попросили отремонтировать двигатель Ньюкомена, и он был поражен тем, что он считал его неэффективностью. Он задался целью улучшить его характеристики и к 1769 г. пришел к выводу, что если пар конденсировать отдельно от цилиндра, то последний всегда можно будет поддерживать горячим. В том же году он представил паровую машину с отдельным конденсатором. Поскольку это разделяло процессы нагрева и охлаждения, его машина могла работать постоянно без длительных пауз в каждом цикле для повторного нагрева цилиндра. Ватт продолжал улучшать свой двигатель и сделал три очень важных дополнения. Во-первых, он сделал его двойным действием, позволив пару попеременно входить с обеих сторон поршня. Это позволяло двигателю работать быстро и развивать мощность как при движении поршня вниз, так и вверх. Во-вторых, он изобрел солнечно-планетарную передачу, которая могла преобразовывать возвратно-поступательное движение луча во вращательное движение. В-третьих, он добавил центробежный регулятор, который поддерживал постоянную скорость двигателя, несмотря на переменные нагрузки. Это в высшей степени инновационное устройство знаменует собой раннее начало автоматизации, поскольку Уатт создал систему, которая по существу была саморегулирующейся. Уатт также изобрел манометр, который он добавил к своему двигателю. К 1790, усовершенствованные паровые машины Уатта предлагали мощный и надежный источник энергии, который можно было разместить практически в любом месте. Это означало, что фабрики больше не нужно было располагать рядом с источниками воды, а можно было строить ближе как к их сырью, так и к транспортным системам. Больше всего на свете именно паровая машина Уатта ускорила промышленную революцию как в Англии, так и во всем мире.

Паровая машина Уатта, однако, не была идеальной и имела одно существенное ограничение; в нем использовался пар низкого давления. Пар высокого давления означал большую мощность от двигателей меньшего размера, но это также означало крайнюю опасность, поскольку взрывы плохо сделанных котлов были обычным явлением. Первым, кто добился реального успеха в этом, был английский изобретатель Ричард Тревитик (1771–1833). К концу восемнадцатого века металлургические технологии совершенствовались, и Тревитик считал, что сможет построить систему, которая будет работать с паром под высоким давлением. К 1803 году Тревитик построил мощный двигатель высокого давления, который он использовал для привода поезда. Его технические новшества были поистине замечательными, но двигатели высокого давления заработали в Англии настолько плохую репутацию, что прошло двадцать лет, прежде чем английский изобретатель Джордж Стефенсон (1781–1848) доказал свою ценность, создав собственные локомотивы.

В Соединенных Штатах, однако, было мало предвзятого отношения к паровой энергии или почти никакого знания о ней. К концу восемнадцатого века Эванс начал работу над паровым двигателем высокого давления, который он мог использовать в качестве стационарного двигателя в промышленных целях, а также для наземного и водного транспорта. К 1801 году он построил стационарную машину, которую использовал для дробления известняка. Его главное новшество в области высокого давления поместило и цилиндр, и коленчатый вал на один и тот же конец балки, а не на противоположные концы. Это позволило ему использовать гораздо более легкий луч.

За прошедшие годы Эванс построил около 50 паровых двигателей, которые использовались не только на фабриках, но и для экскаватора-амфибии. Пар высокого давления приводил в движение эту странную шаланду, которая была земснарядом и могла двигаться как по суше, так и по воде. Это был первый дорожный автомобиль с механическим приводом, который работал в Соединенных Штатах.

Несмотря на тяжелую работу Эванса и настоящий гений, его новаторские усилия с паром не имели реального успеха при жизни. Он часто встречал безразличие или простое нежелание со стороны производителей изменить свои старые методы и перейти на пар. Его использованию пара для наземного движения мешали плохие дороги, личная заинтересованность в лошадях и крайне неадекватные материалы. После Эванса пар высокого давления стал широко использоваться в Америке, в отличие от Англии, где двигатели низкого давления Уатта требовали замены долго. Но, тем не менее, были внесены улучшения, и железо в конечном итоге заменило древесину в конструкции двигателя, а горизонтальные двигатели стали даже более эффективными, чем старые вертикальные.

На протяжении всех этих разработок и усовершенствований парового двигателя никто толком не знал, что за ним стоит наука. Вся эта работа была выполнена на эмпирической основе без ссылки на какую-либо теорию. Только в 1824 году эта ситуация изменилась с публикацией Reflexions sur La Puissance Motrice du Feu французского физика Николя Леонара Сади Карно (1796–1832). В своей книге «О движущей силе огня » Карно основал науку термодинамику (или тепловое движение) и первым рассмотрел количественно, как связаны теплота и работа. Определив работу как «вес, поднятый на высоту», он попытался определить, насколько эффективен или какую работу может произвести двигатель Ватта. Карно смог доказать, что существует максимальный теоретический предел эффективности любого двигателя и что он зависит от разницы температур в двигателе. Он показал, что для обеспечения высокой эффективности пар должен проходить через широкий диапазон температур при расширении внутри двигателя. Наивысшая эффективность достигается за счет использования низкой температуры конденсатора и высокого давления в котле. Пар был успешно адаптирован для моторных лодок в 1802 году и железных дорог в 1829 году.. Позже некоторые из первых автомобилей приводились в движение паром, а в 1880-х годах английский инженер Чарльз А. Парсонс (1854–1931) изготовил первую паровую турбину. Эта мощная, высокоэффективная турбина могла производить не только механическую, но и электрическую энергию. К 1900 году паровой двигатель превратился в сложную и мощную машину, приводившую в движение огромные корабли в океане и приводившую в действие турбогенераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Когда-то доминирующий источник энергии, паровые двигатели со временем потеряли свою популярность, когда стали доступны другие источники энергии. Хотя в США было произведено более 60 000 паровых автомобилей между 189 г.7 и 1927 г., паровой двигатель в конечном итоге дал

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

Конденсатор — Прибор для сжатия воздуха или газов.

Цилиндр — Камера двигателя, в которой движется поршень.

Регулятор — Механическое регулирующее устройство, которое работает автоматически и позволяет самостоятельно регулировать скорость двигателя.

Поршень — скользящая деталь, которая перемещается или движется против давления жидкости внутри цилиндрического сосуда или камеры.

путь к двигателю внутреннего сгорания для движения транспортных средств. Сегодня интерес к пару несколько возродился, поскольку усовершенствования делают его более эффективным, а низкий уровень загрязнения делает его более привлекательным.

См. также Дизельный двигатель; Реактивный двигатель.

КНИГИ

Хиндл, Брук и Стивен Любар. Двигатели перемен. Вашингтон: Smithsonian Institution Press, 1986.

Лохани, Ашвани. Курящие красавицы: Паровозы мира. Нью-Дели, Индия: Древо мудрости, 2004.

Ратленд, Джонатан. Эпоха пара. New York: Random House, 1987.

ДРУГОЕ

Исторические ресурсы, Университет Рочестера. «Рост паровой машины». (по состоянию на 29 октября 2006 г.).

Леонард С. Бруно

Научная энциклопедия Гейла

Гейл

просмотров обновлено 21 мая 2018

Паровой двигатель представляет собой машину, которая преобразует тепловую энергию пара в механическую энергию с помощью поршня, движущегося в цилиндре. Как двигатель внешнего сгорания — поскольку он сжигает свое топливо вне двигателя — паровой двигатель направляет свой пар в цилиндр, где он затем толкает поршень вперед и назад. Именно при таком движении поршня двигатель может совершать механическую работу. Паровой двигатель был основным источником энергии Промышленной революции 9.0047 и доминировал в промышленности и на транспорте в течение 150 лет. Это все еще полезно сегодня в определенных ситуациях.

История

Самые ранние известные паровые машины были изобретены греческим инженером и математиком по имени Геро, жившим в первом веке н. э. Его самое известное изобретение называлось элиопилом. Это была небольшая полая сфера , к которой были прикреплены две изогнутые трубки. Сфера была прикреплена к котлу, который производил пар. Когда пар выходил из полых трубок сферы, сама сфера начинала вращаться. Герой Александрийский и несколько других греков разработали многие другие паровые устройства, такие как паровой орган и автоматические двери, но всегда в контексте игривости и, казалось бы, без какого-либо интереса к практическому использованию пара. Тем не менее, их работа установила принцип силы пара, а их забавные устройства были настоящей демонстрацией преобразования энергии пара в какое-то движение .

Хотя греки установили принцип действия пара, он игнорировался более 1500 лет до конца 1600-х годов в Европе . В течение этого длительного периода основными источниками энергии были сначала мышечная сила человека или тягловых животных, а позднее ветер и вода сила. Ветряные мельницы и водяные колеса подходили для медленных, повторяющихся работ, таких как перемалывание кукурузы, в которых перебои в подаче электроэнергии не имели большого значения. Однако для определенных работ, таких как откачка воды из шахты, источник энергии, который мог отключиться в любой момент, не всегда был удовлетворительным. На самом деле именно глубина английских рудников подтолкнула инженеров к поиску насосов, которые были бы быстрее старых водяных насосов. К середине шестнадцатого века работа над воздушными насосами установила представление о поршне, работающем в цилиндре, и примерно в 1680 году французский физик Дени Папен (1647-1712) налил немного воды на дно трубы, нагрел ее, преобразовал его в пар и увидел, что расширенный пар с силой толкает поршень прямо перед собой. Когда трубка остыла, поршень вернулся в прежнее положение. Хотя Папен прекрасно осознавал, что создал двигатель, который, в конце концов, мог работать, его отпугнули вполне реальные механические трудности того времени, и он решил работать в меньшем масштабе, создав первую в мире девятку. 0046 скороварка скороварка.

Вслед за Папеном английский военный инженер Томас Савери (ок. 1650-1715) построил то, что большинство считает первой практической паровой машиной. В отличие от системы Папена, в ней не было поршня, поскольку Савери хотел только брать воду из угольных шахт глубоко под землей . Зная, что он может использовать пар для создания вакуума в сосуде, он соединил такой сосуд с трубкой, ведущей в воду внизу. Затем вакуум втягивал воду в трубку и выдувал ее под давлением пара. Систему Савери называли «Друг шахтера», поскольку она поднимала воду из шахт с помощью всасывания, создаваемого конденсацией пара. Несколько лет спустя английский инженер и партнер Савери по имени Томас Ньюкомен (1663-1729 гг.) улучшил паровой насос, вернув поршень. К 1712 году он построил машину, которая использовала пар при атмосферном давлении (обычная кипящая вода), и которую было довольно легко построить. Его поршневой двигатель был очень надежным и стал широко применяться в Англии примерно в 1725 году. Его машину называли балочной, потому что наверху у нее была огромная качающаяся балка или качающаяся балка, движение которой передавало мощность от единственного цилиндра двигателя к двигателю. Помпа.

Понимание того, как работала машина Ньюкомена, поможет понять все более поздние паровые машины. Во-первых, вся машина находилась в машинном отделении высотой примерно в три этажа, из верхней стены которого торчала длинная дубовая балка, которая могла раскачиваться вверх и вниз. Дом был построен в стороне от шахты. Внизу вала находился водяной насос, который соединялся с двигателем длинной насосной штангой. Под балкой внутри дома находился длинный латунный цилиндр, который стоял на кирпич котел. Котел питался углем и давал пар. Внутри цилиндра находился поршень, который мог скользить вверх и вниз и был соединен с балкой наверху. Двигатель всегда запускался с поршнем в верхнем положении. Затем пар заполнил цилиндр из открытого клапана. При заполнении цилиндр обрызгивался водой, в результате чего пар внутри конденсировался в воду и создавал частичный вакуум. При этом давление наружного воздуха заставляло опускаться поршень, который раскачивал балку, поднимал штоки насоса и всасывал около 12 галлонов (45 л) воды. Затем поршень возвращался в исходное положение (вверх) в цилиндре, и процесс повторялся. Помимо того, что его называли лучевым двигателем, двигатель Ньюкомена также называли атмосферным двигателем, поскольку он использовал давление воздуха для перемещения поршня (вниз).

Самое важное усовершенствование конструкции паровой машины было сделано шотландским инженером Джеймсом Уаттом (1736-1819). В 1763 году Ватта попросили отремонтировать двигатель Ньюкомена, и он был поражен тем, что он считал его неэффективностью. Он задался целью улучшить его характеристики и к 1769 г. пришел к выводу, что если пар конденсировать отдельно от цилиндра, то последний всегда можно будет поддерживать горячим. В том же году он представил паровую машину с отдельным конденсатором. Поскольку это разделяло процессы нагрева и охлаждения, его машина могла работать постоянно без длительных пауз в каждом цикле для повторного нагрева цилиндра. Ватт продолжал улучшать свой двигатель и сделал три очень важных дополнения. Во-первых, он сделал его двойного действия, позволив пару попеременно входить с обеих сторон поршня. Это позволяло двигателю работать быстро и развивать мощность как при движении поршня вниз, так и вверх. Во-вторых, он изобрел свою солнечно-планетарную передачу, которая могла переводить возвратно-поступательное движение , или возвратно-поступательное движение луча во вращательное движение. В-третьих, он добавил центробежный регулятор, который поддерживал постоянную скорость двигателя, несмотря на переменные нагрузки. Это чрезвычайно инновационное устройство знаменует начало автоматизации , поскольку Уатт создал систему, которая по существу была саморегулирующейся. Уатт также изобрел манометр, который он добавил к своему двигателю. К 1790 году усовершенствованные паровые машины Уатта стали мощным и надежным источником энергии, который можно было разместить практически в любом месте. Это означало, что заводы больше не нужно было размещать рядом с источниками воды, а можно было строить ближе как к их сырью, так и к транспортным системам. Больше всего на свете именно паровая машина Уатта ускорила промышленную революцию как в Англии, так и во всем мире.

Однако паровая машина Уатта не была идеальной и имела одно существенное ограничение; в нем использовался пар низкого давления. Пар высокого давления означал большую мощность от двигателей меньшего размера, но это также означало крайнюю опасность, поскольку взрывы некачественных котлов были обычным явлением. Первым, кто добился реального успеха в этом, был английский изобретатель Ричард Тревитик (1771-1833). К концу восемнадцатого века металлургические технологии совершенствовались, и Тревитик считал, что сможет построить систему, которая будет работать с паром под высоким давлением. К 1803 году Тревитик построил мощный двигатель высокого давления, который он использовал для привода поезда. Его технические новшества были поистине замечательны, но двигатели высокого давления заслужили в Англии настолько плохую репутацию, что прошло двадцать лет, прежде чем английский изобретатель Джордж Стефенсон (1781–1848) доказал свою ценность, создав собственные локомотивы.

В Соединенных Штатах, однако, было мало предвзятого отношения к паровой энергии или почти никакого знания о ней. К концу восемнадцатого века Эванс начал работу над паровой машиной высокого давления, которую он мог использовать в качестве стационарного двигателя в промышленных целях, а также для наземного и водного транспорта. К 1801 году он построил стационарную машину, которую использовал для дробления известняка. Его главное новшество в области высокого давления поместило и цилиндр, и коленчатый вал на один и тот же конец балки, а не на противоположные концы. Это позволило ему использовать гораздо более легкий луч.

За прошедшие годы Эванс построил около 50 паровых двигателей, которые использовались не только на фабриках, но и для экскаватора-амфибии. Пар под высоким давлением приводил в движение эту странную шаланду, которая представляла собой земснаряд, способный двигаться как по суше, так и по воде. Это был первый дорожный автомобиль с механическим приводом, который работал в Соединенных Штатах.

Несмотря на тяжелую работу Эванса и настоящий гений, его новаторские усилия с паром не имели реального успеха при его жизни. Он часто встречал безразличие или простое нежелание со стороны производителей изменить свои старые методы и перейти на пар. Его использование пара для наземного движения было остановлено плохими дорогами, личной заинтересованностью в лошадей и крайне неадекватные материалы. После Эванса пар высокого давления стал широко использоваться в Америке, в отличие от Англии, где двигатели низкого давления Уатта требовали замены долго. Но, тем не менее, улучшения были внесены, и железо в конечном итоге заменило древесину в конструкции двигателя, а горизонтальные двигатели стали даже более эффективными, чем старые вертикальные.

Работа парового двигателя

На протяжении всех этих разработок и усовершенствований парового двигателя никто толком не знал, что за ним стоит наука. По сути, вся эта работа была выполнена на эмпирической основе без привязки к какой-либо теории. Только в 1824 году эта ситуация изменилась с публикацией Reflexions sur La Puissance Motrice du Feu французского физика Николя Леонара Сади Карно (1796-1832). В своей книге «О движущей силе огня» Карно основал науку термодинамики (или теплового движения) и первым рассмотрел количественно способ, которым связаны теплота и работа. Определив работу как «вес, поднятый на высоту», он попытался определить, насколько эффективен или сколько «работы» может произвести двигатель Ватта. Карно смог доказать, что существует максимальный теоретический предел эффективности любого двигателя, и что он зависит от мощности двигателя.0046 температура разница в двигателе. Он показал, что для обеспечения высокой эффективности пар должен проходить через широкий диапазон температур при расширении внутри двигателя. Наивысшая эффективность достигается за счет использования низкой температуры конденсатора и высокого давления в котле. Пар был успешно адаптирован для двигателей лодок в 1802 году и железных дорог в 1829 году. Позже некоторые из первых автомобилей приводились в движение паром, а в 1880-х годах английский инженер Чарльз А. Парсонс (1854-1931) создал первую паровую турбину .0047 . Эта мощная, высокоэффективная турбина могла производить не только механическую, но и электрическую энергию. К 1900 году паровой двигатель превратился в очень сложный и мощный двигатель, который приводил в движение огромные корабли в океане и приводил в действие турбогенераторы, производившие электроэнергии .

Когда-то доминирующий источник энергии, паровые двигатели со временем потеряли свою популярность, когда стали доступны другие источники энергии. Хотя в США было произведено более 60 000 паровых автомобилей между 1897 и 1927, паровой двигатель в конце концов уступил место двигателю внутреннего сгорания для движения транспортных средств. Сегодня интерес к пару несколько возродился, поскольку усовершенствования делают его все более эффективным, а низкий уровень загрязнения делает его более привлекательным.

См. также Дизельный двигатель; Реактивный двигатель.

Ресурсы

книги

Хиндл, Брук и Стивен Любар. Двигатели перемен. Вашингтон: Smithsonian Institution Press, 1986.

Ратленд, Джонатан. Эпоха пара. Нью-Йорк: Рэндом Хаус, 1987.

Леонард С. Бруно

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Конденсатор

— Прибор для сжатия воздуха или газов.

Цилиндр

— Камера двигателя, в которой движется поршень.

Регулятор

—Механическое регулирующее устройство, которое работает автоматически и позволяет самостоятельно регулировать скорость двигателя.

Поршень

— Скользящая деталь, которая перемещается или движется против давления жидкости внутри цилиндрического сосуда или камеры.

Энциклопедия науки Гейла

gale

просмотров обновлено 14 мая 2018

Паровой двигатель — это машина, которая преобразует тепловую энергию пара в механическую энергию. Паровой двигатель пропускает пар в цилиндр, где он затем толкает поршень вперед и назад. Именно при таком движении поршня двигатель может совершать механическую работу. Паровая машина была основным источником энергии промышленной революции в Европе в восемнадцатом и девятнадцатом веках. Он доминировал в промышленности и на транспорте в течение 150 лет.

История

Первая паровая машина была построена в 1698 году английским военным инженером Томасом Савери (ок. 1650–1715). Его изобретение, предназначенное для откачки воды из угольных шахт, было известно как «Друг шахтера». Машина, не имевшая движущихся частей, состояла из простого котла — паровой камеры, клапаны которой располагались на поверхности — и трубы, ведущей к воде в шахте внизу. Вода нагревалась в камере котла до тех пор, пока ее пар не заполнял камеру, вытесняя оставшуюся воду или воздух. Затем клапаны закрывались, и над камерой распылялась холодная вода. Это охлаждало и конденсировало пар внутри, образуя вакуум. Когда клапаны снова открывались, вакуум всасывал воду из шахты, и процесс можно было повторить.

Несколько лет спустя английский инженер и партнер Савери по имени Томас Ньюкомен (1663–1729) усовершенствовал паровой насос. Он увеличил эффективность, установив движущийся поршень внутри цилиндра, и этот метод используется до сих пор. Цилиндр — длинная тонкая закрытая камера, отдельная от котла — заменил большую открытую камеру котла. Поршень — скользящая деталь, помещающаяся в цилиндр — использовался для создания движения вместо вакуума. Пар заполнил цилиндр из открытого клапана. При заполнении цилиндр обрызгивался водой, в результате чего пар внутри конденсировался в воду и создавался частичный вакуум. Затем давление наружного воздуха заставило поршень опуститься, создав рабочий ход. Поршень был соединен с балкой, которая была соединена с водяным насосом на дне шахты с помощью насосной штанги. Через эти соединения движение поршня заставляло водяной насос всасывать воду.

Полезные слова

Конденсатор: Прибор для охлаждения воздуха или газов.

Цилиндр: Камера двигателя, в которой движется поршень.

Поршень: Скользящая деталь, которая перемещается или движется против давления жидкости внутри цилиндрического сосуда или камеры.

Турбина: Двигатель, который движется по кругу, когда сила, такая как движущаяся вода, приложена к его ряду перегородок (тонких пластин или экранов), расходящихся от центрального вала.

Прорыв Уатта

Самое важное усовершенствование конструкции паровой машины было сделано шотландским инженером Джеймсом Уаттом (1736–1819). Он задался целью улучшить характеристики двигателя Ньюкомена и к 1769 г. пришел к выводу: если пар конденсировать отдельно от цилиндра, то цилиндр всегда можно будет поддерживать горячим. В том же году он представил конструкцию паровой машины с отдельным конденсатором и герметичными цилиндрами. Поскольку это разделяло процессы нагрева и охлаждения, его машина могла работать постоянно, без длительных пауз в каждом цикле для повторного нагрева цилиндра. В усовершенствованной конструкции парового двигателя Уатта использовалось на треть меньше топлива, чем в сопоставимом двигателе Ньюкомена.

В течение следующих пятнадцати лет Ватт продолжал совершенствовать свой двигатель и сделал три существенных дополнения. Он представил центробежный регулятор, устройство, которое могло контролировать выход пара и скорость двигателя. Он сделал двигатель двойного действия, позволив пару попеременно входить с обеих сторон поршня. Это позволяло двигателю работать быстро и развивать мощность как при движении поршня вниз, так и вверх. Самое главное, он прикрепил к двигателю маховик.

Маховики позволяют двигателю работать более плавно, создавая более постоянную нагрузку, и они преобразуют обычный возвратно-поступательный рабочий ход в круговое (вращательное) движение, которое легче адаптировать для силовой техники. К 1790, усовершенствованная паровая машина Уатта предлагала мощный и надежный источник энергии, который можно было разместить практически в любом месте. Он использовался для накачки мехов для доменных печей, для привода огромных молотов

для формовки и упрочнения кованых металлов, а также для точения машин на текстильных фабриках. Больше всего на свете именно паровая машина Уатта ускорила промышленную революцию как в Англии, так и во всем мире.

Двигатели высокого давления

Следующим достижением в технологии паровых двигателей стало осознание того, что сам пар, а не конденсация пара для создания вакуума, может приводить в действие двигатель. В 1804 году американский изобретатель Оливер Эванс (1755–1819 гг.) разработал первый двигатель высокого давления без конденсации. Двигатель, который был стационарным, работал со скоростью 30 оборотов в минуту и ​​использовался для привода пилы для резки мрамора. В двигателях высокого давления для производства пара использовались большие цилиндрические резервуары с водой, нагреваемой снизу.

Пар был успешно адаптирован для двигателей лодок в 1802 году и железных дорог в 1829 году. Позже некоторые из первых автомобилей приводились в движение паром. В 1880-х годах английский инженер Чарльз А. Парсонс (1854–1931) изготовил первую паровую турбину. К 1900 года паровой двигатель превратился в сложную и мощную машину, приводившую в движение огромные корабли в океане и приводившую в действие турбогенераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Когда-то доминирующий источник энергии, паровые двигатели со временем потеряли свою популярность, когда стали доступны другие источники энергии. Хотя в период с 1897 по 1927 год в Соединенных Штатах было произведено более 60 000 паровых автомобилей, паровой двигатель в конечном итоге уступил место двигателю внутреннего сгорания в качестве источника энергии для транспортных средств.

[ См. также Дизельный двигатель; Двигатель внутреннего сгорания; Реактивный двигатель ]

UXL Encyclopedia of Science

oxford

просмотров обновлено 18 мая 2018

паровые двигатели — это машины, использующие давление пара и конденсацию. Устройство Томаса Савери (1698 г.) перекачивало воду за счет частичного вакуума без движущихся частей, и хотя двигатели, основанные на его принципах, все еще использовались в 1790-х годах, атмосферный цилиндро-поршневой двигатель Ньюкомена, построенный недалеко от Дадли в 1712 г., установил фундаментальные принципы паровой энергии. Отдельный конденсатор Джеймса Уатта 1769 г.(и возвратно-поступательное движение с 1782 г.) стал источником значительного повышения технической эффективности, когда стала доступна улучшенная расточка цилиндров Уилкинсона (1774 г.), и выразилась в экономии использования угля: к 1790-м годам двигатели Ватта потребляли 70 процентов топлива сопоставимого двигателя. Атмосферное устройство Смитона. Более высокие капитальные затраты означали, что цены на уголь определяли принятие технологии Ватта, а промышленность ориентировалась на самый дешевый доступный уголь, все еще обеспечивая половину своей паровой мощности в 1800 году с помощью атмосферных двигателей.

Дренаж шахт был его основным применением, где уголь был дешев, и многие двигатели работали на непродаваемом холостом ходу, за которым следовали пивоварение и помол, водоснабжение и текстиль, последнее до 1820-х годов часто использовало стационарную энергию пара через водяные колеса для даже крутящий момент, необходимый для ранних машин. Более широкое применение с 1790-х годов в большей степени было связано с двигателями Тревитика высокого давления без конденсации и прямого действия, которые приводили в действие первые успешные морские приложения с 9-цилиндровым двигателем Симингтона.0036 Шарлотта Дандас (1802 г. — хотя экспериментально доказано Жоффруа в Лионе в 1781 г.) и его проверка парового вагона (1801 г.) и локомотива (1804 г.). Пар был испытан в море во время путешествия Додда Thames из Глазго в Лондон (1815 г.) и поступил на общую береговую службу в 1820-х годах; а на железных дорогах — испытания Рейнхилла в 1829 году.

Мощность пара в производстве хлопка увеличилась более чем вдвое в 1835–1856 годах, за ней последовали шерстяные и льняные изделия; котел Cornish с диффузией для создания высокого давления при снижении затрат на топливо; а локомотивы Стивенсона с длинными котлами и внерамные локомотивы Китсона установили базовую модель железнодорожной движущей силы. С момента основания Гранд-Джанкшен в Крю (1837 г. ) британские железные дороги производили свои собственные локомотивы, время от времени закупая их у таких специалистов, как Бейер Пикок, которые в противном случае были ограничены экспортными рынками, что привело к долгосрочным потерям в стандартизации и техническом прогрессе. Экономичная составная паровая машина мало использовалась на британских железных дорогах, где уголь был дешев, в то время как она стала стандартной единицей для заводской мощности и в своей окончательной форме с тройным расширением (после 1880 г.) ключом к британскому доминированию в судоходстве и судостроении. С начала 1900-х годов морская паровая турбина Парсонса обеспечивала еще большую скорость и экономичность. Обильные запасы угля и обширная промышленная база по производству угля и пара в дальнейшем представляли собой элементы инерции, замедляющие внедрение в Великобритании электричества и внутреннего сгорания.

J. A. Chartres

The Oxford Companion to British History JOHN CANNON

oxford

просмотров обновлено 21 мая 2018

паровой двигатель. Пар, образующийся при нагревании воды, используется для создания движения. В некоторых двигателях пар заставляет поршни двигаться вдоль цилиндров. Это приводит к возвратно-поступательному (возвратно-поступательному) движению. Механизм обычно превращает это во вращательное движение. Паровозы используют поршневые двигатели. Паровые турбины — это двигатели, которые производят вращательное движение напрямую, используя пар для вращения наборов вентилятороподобных колес. В любой паровой машине часть тепла, используемого для превращения воды в пар в котле, преобразуется в энергию движения. Тепло может производиться путем сжигания топлива в печи или может поступать из ядерного реактора. Первая паровая машина, изобретенная Томасом Савери в 1689 году., была формой насоса, используемого для удаления воды из шахт. В 1712 году Томас Ньюкомен изобрел паровой насос с поршнями. С 1760-х годов Джеймс Уатт усовершенствовал идеи Ньюкомена и создал более эффективные паровые двигатели. Это привело к использованию паровых двигателей для приведения в действие машин на заводах. В 1884 году английский инженер Чарльз Парсонс изобрел первую практическую паровую турбину. Его машины были настолько эффективны, что турбины вскоре начали заменять поршневые паровые двигатели на электростанциях.

Всемирная энциклопедия

Оксфорд

просмотров обновлено 21 мая 2018 г.

паровой двигатель •
н. двигатель, использующий расширение или быструю конденсацию пара для выработки энергии. ∎ паровоз.

Оксфордский карманный словарь современного английского языка

КАК РАБОТАЕТ ПАРОВАЯ ДВИГАТЕЛЬ?

В этой статье вы узнаете, из каких компонентов состоит паровая машина и как они работают. Паровой двигатель — это технология, которая преобразует тепловую энергию в энергию движения. Принцип работы парового двигателя основан на использовании физических концепций, в которых применяются законы термодинамики.

Изобретатель парового двигателя

Мы знаем Джеймса Уатта как изобретателя парового двигателя в середине 18 века. В том же году изобретение парового двигателя стало одним из самых революционных изобретений в истории, потому что оно произвело революцию в индустриальном мире. Изобретение паровой машины стало началом промышленной революции.

Но на самом деле Джеймс Уатт не был первым изобретателем. Джеймс Уатт отремонтировал предыдущую паровую машину по части конденсатора и вала.

Так кто изобрел паровой двигатель? Так что ответ изобретателю паровой машины — Томас Ньюкомен. Паровая машина, изобретенная Томасом Ньюкоменом в 1712 году, предназначалась для перекачки воды в горнодобывающем мире. В то время как Джеймс Ватт делал ремонт в 1776 году.

После усовершенствований Джеймса Ватта паровая машина работала более эффективно и двигалась более плавно в процессе преобразования энергии. Благодаря своим усовершенствованиям паровая машина может применяться в промышленности более эффективно.

Джеймс Уатт работал с Мэтью Бултоном над проектированием паровых двигателей для промышленности в Европе.

Не только для промышленности, использование паровых двигателей все больше развивается как средство поддержки наземного транспорта. Паровые двигатели стали заменять животную силу во время промышленной революции, одной из которых стал паровоз. Сила животных начала заменяться паровыми двигателями в 1830 году, когда произошла гонка между лошадьми и паровыми машинами.

В начале 19 века паровая машина постоянно совершенствовалась, пока не стала более эффективной при меньших размерах.

Компоненты парового двигателя

Принцип работы парового двигателя может проявляться благодаря тому, что компоненты взаимосвязаны в систему. Компоненты паровой машины состоят из рам, поршней, цилиндров, подшипников, клапанов и т. д.

1) Рама

Это. Каркас паровой машины изготовлен из металлического литья, поскольку он более устойчив к тепловому расширению.

2) Цилиндр

Компонент Цилиндр или цилиндр паровой машины представляет собой часть или компонент в виде помещения, которое выполняет функцию обеспечения движения пара и поршня. Некоторые инженеры называют цилиндр паровой машины картером.

3) Паровой ларь

Паровой ларь на паровой машине — часть или компонент паровой машины, объединенный с цилиндром. Этот паровой лабиринт обычно имеет кубическую или сферическую форму в зависимости от используемого клапана.

4) Коренные подшипники

Подшипник — это компонент или часть парового двигателя, функция которого заключается в поддержании оси вращения вала. Поскольку часто возникает трение или изгиб, внутреннюю поверхность подшипника необходимо покрыть смазкой.

5) Поршень 

Поршень парового двигателя работает так же, как поршень автомобильного или мотоциклетного двигателя в целом. Поршень в паровой машине выполняет функцию продолжения силы сжатия пара во вращение.

6) Поршневые кольца или поршневые кольца

Поршень имеет кольца для предотвращения проникновения пара между поршнями и цилиндрами.

7) Шток поршня или шток поршня Поршень

шток паровой машины предназначен для передачи сжимающей силы на головку поршня на вращающийся кривошип.

8) Сальник

Сальник на паровом двигателе выполняет функцию уплотнения, предотвращая выход пара из системы в атмосферу. Если произойдет утечка, энергия в системе парового двигателя не будет максимальной.

9) Крейцкопф

Крейцкопф на паровой машине имеет функцию, чтобы поршень не двигался вбок и не по линии.

10) Шатун или поршень

Шатун Шатун парового двигателя выполняет функцию соединения поршня с коленчатым валом.

11) Клапан / Клапан

Как объяснялось ранее, клапан является частью цилиндра и паровой камеры. Клапан на паровой машине выполняет функцию ворот для входа и выхода пара в системе.

12) Шток клапана и эксцентриковый стержень

Эксцентриковый стержень Машина имеет форму плиты, которая выполняет функцию преобразования вращательного движения в поступательное движение. Зачем нам линейное движение в паровых машинах? Ответ заключается в том, чтобы открыть и закрыть клапан.

13) Маховик

Свобода воли или, как мы его называем, шестерня паровой машины — это механизм, который внезапно гасит вращение. Чтобы крутящий момент на паровой машине стал более стабильным.

Как работает паровой двигатель?

Паровые двигатели включены в категорию тепловых двигателей, а именно оборудования, используемого для преобразования тепловой энергии топлива в механическую энергию в процессе сгорания. Существует два типа тепловых двигателей, а именно двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и двигатели внешнего сгорания (ДВС). В тепловых машинах типа ДВС процесс сжигания топлива для получения механической энергии осуществляется внутри самого оборудования; в то время как в ECE это оборудование только преобразует тепловую энергию в механическую энергию, в то время как процесс сгорания осуществляется вне оборудования.

Примерами тепловых двигателей типа ДВС являются бензиновые и дизельные двигатели, которые очень популярны в качестве первичных двигателей как для автомобилей, так и для промышленного использования. В бензиновых и дизельных двигателях процесс сжигания топлива (бензин/дизель) осуществляется в самом цилиндре двигателя, а преобразование тепловой энергии, возникающей в результате сгорания, в механическую также осуществляется в самом самолете за счет возвратно-поступательного движения. поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Примерами тепловых двигателей типа ЕСЕ являются паровые двигатели и паровые турбины. В этом оборудовании паровая машина только преобразует потенциальную энергию пара в механическую энергию в виде возвратно-поступательного движения поршня, а затем преобразует ее во вращательное движение кривошипного вала; в то время как паровая турбина преобразует потенциальную энергию пара в механическую энергию, которая представляет собой непосредственно вращательное движение оси турбины. Процесс сгорания топлива осуществляется вне паровой машины и паровой турбины, а именно в котле (бойлере). В котле (котле) тепловая энергия от сгорания топлива используется для нагрева воды с тем, чтобы она превратилась в пар с высокой температурой и давлением, затем пар с высокой температурой и давлением подается в паровую машину или паровую турбину для преобразуется в механическую энергию.

Работа парового двигателя выглядит следующим образом: См. рисунок ниже,

Внутри цилиндра парового двигателя находится поршень, шток которого соединен с крестовиной, которая находится снаружи цилиндра. Крестовина соединена шатуном с коленчатым валом (на рисунке не показан), так что при движении поршня туда-сюда коленчатый вал может вращаться.
Золотниковый клапан со штоком клапана приводится в движение кривошипным валом через эксцентрик, так что золотниковый клапан может перемещаться вперед и назад при открытии и закрытии двух паровых отверстий, соединенных с цилиндром. Клапанная коробка, в которой расположен золотник, имеет два канала, входной канал соединяется с котлом для подачи пара высокого давления (красный цвет), а выпускной канал соединяется с дымовой трубой для удаления использованного пара (синий цвет).

Когда поршень достигает крайнего левого положения, золотниковый клапан открывает паровое отверстие левого цилиндра, так что пар из котла может поступать в цилиндр с левой стороны поршня и толкать поршень вправо, а правый паровое отверстие соединено с выпускным каналом, чтобы можно было сливать использованный пар. выводится через дымоход. Перед окончанием хода поршня паровое отверстие закрывается золотником так, что подача пара прекращается, но поршень продолжает двигаться вправо за счет расширения пара.

Когда поршень достигает крайнего правого положения, золотниковый клапан открывает паровое отверстие правого цилиндра, так что пар из котла может поступать в цилиндр с правой стороны поршня и толкать поршень влево, тем временем левое паровое отверстие соединено с выхлопным каналом, так что использованный пар может быть потрачен впустую. через дымоход. Перед окончанием хода поршня паровое отверстие закрывается золотником так, что подача пара прекращается, но поршень продолжает двигаться вправо за счет расширения пара.

Поскольку крейцкопф с коленчатым валом соединен шатуном, возвратно-поступательное движение поршня будет преобразовано во вращательное движение коленчатого вала. Таким образом, пока есть подача пара из котла, паровая машина будет превращаться в механическую энергию при вращательном движении кривошипного вала.

Паровозы обычно имеют 2 паровых двигателя, установленных справа и слева от локомотива, вращательное движение, создаваемое двумя паровыми двигателями, непосредственно используется для поворота колес локомотива, чтобы они могли тянуть всю серию поездов ( см. рисунок ниже).

---

Связанная после

---

Поделиться: