Изобретение позволяет повысить надежность прямоточного парового двигателя в работе за счет изменения механизма управления движением разделительной заслонки. При своем движении под действием упругости пара боковая стенка 13 поршня 7 одной стороной воспринимает усилие от давления свежего пара, а другой стороной выталкивает отработанный пар через канал 15 в смежную рабочую камеру 14 или через канал 3 удаляет отработанный пар наружу. При вращении поршня разделительная заслонка 8, совершая возвратно-поступательное движение, органом управления которым является боковая стенка 13 поршня 7, а механизм управления движением разделительной заслонки включает две дополнительные заслонки 10 и 11 и звездообразный шатун 18, шарнирно соединенные между собой и с разделительной заслонкой 8 с помощью рычагов 17.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (д0 4 F 01 В 17/04
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Н А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4266963/25-29 (22) 19,05.87 (46) 07.11,89. Бюл. P 41 (75) Л.Е.Зыков (53) 621.16 (088.8) (56) Заявка (bPf " 3342679, кл. F 04 С 18/344, 1985.
Ьд пир
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ fXHT СССР (54) ПАРОВОЙ ПРЯМОТОЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (57) Изобретение позволяет повысить надежность прямоточного парового двигателя в работе за счет изменения механизма управления движением разделительной заслонки, При своем движении под действием упругости пара бо2 ковал стенка 13 поршня 7 одной стороной воспринимает усилие от давления свежего пара, а другой стороной выталкивает отработанный пар через канал 15 а смежную рабочую камеру 14 или через канал 3 удаляет отработанный пар наружу. При вращении поршня разделительная заслонка 8, совершая возвратно-поступательное движение, органом управления которым является боковая стенка 13 поршня 7, а механизм управления движением разделительной заслонки включает две дополнительные заслонки 10 и 11 и звездообразный шатун 18, шарнирно соединенные между собой и с разделительной заслонкой 8 с помощью рычагов 17. 6 ил.
1520253
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в качестве энергетической машины.
Цель изобретения - повышение надежности работы двигателя.
На.фиг. 1 представлен предлагаемый двигатель, продольный разрез; на фиг. 2 - ротор, аксонометрическая проекция; на фиг. 3 — Фрагмент разреза А-А на Фиг ° 1; на Фиг. 4 - разрез
Б-Б на фиг. 1; на фиг. 5 - разрез В-В на Фиг. 1; на фиг. 6 - разрез Г-Г на фиг. 1.
Паровой прлмоточный двигатель со держит цилиндрический корпус 1 с впускным 2 и выпускным 3 каналами, вал 4, полую гильзу 5 с радиальными пазами 6, поршень 7, связанный с валом 4, и разделительную заслонку 8.
Гильза 5 установлена с кольцевым зазором 9 относительно корпуса 1 соосно последнему, а поршень 7 располон
Поршень 7 выполнен в виде цилиндрического стакана со сквозными прорезями 12 в боковой стенке 13> которая совместно с корпусом 1, гильзой 5 и разделительной заслонкой 8. образует рабочие камеры 14, которые последовательно соединены ме>нду собой при помощи каналов 15. Дополнительные 35 заслонки 10 и- 11 снабжены роликами
16 и посредством рычагов 17 соединены со звездообразным шатуном 18.
Паровой прямоточный двигатель ра- 40 ботает следующим образом.
Пар по впускному каналу 2 поступает в рабочую камеру 14, образованную неподвижными корпусом 1 и гильзой 5, 45 а также разделительной заслонкой 8 и боковой стенкой 13 поршня 7 ° Поршень 7 при своем движении по радиальному пазу 6 приводит во вращение вал
4. В исходном положении разделитель- 50 ная заслонка 8 и дополнительная заслонка 10 прижаты к корпусу 1, а дополнительная заслонка 11 отжата боковой стенкой 13 к центру двигателя.
При своем дальнейшем вращении боковая 55 стенка 13 через ролик 16 дополнительной заслонки 10 и рычаг 17 воздействует на звездообразный шатун 18, который втягивает разделительную заслонку 8 к центру двигателя, освобождая тем самым проход для боковой стенки
13 поршня 7. Пар, расширяясь в кольцевом зазоре 9, образованном корпусом
1, гильзой 5 и сквозной прорезью 12, движется вслед за боковой стенкой 13 поршнл 7. Одновременно отработанный пар, находящийся в кольцевом зазоре
9, через канал 15 вытесняется в смежную рабочую камеру 14 где цикл повторяется. Отработанный пар удаляется через выпускной канал 3.
Формула изобретения
Паровой прямоточный двигатель, содержащий цилиндрический корпус с впускными и выпускными каналами и размещенные в корпусе вал, полую гильзу с радиальным пазом, поршень, связанный с валом, и разделительную заслонку с приводным механизмом, расположенную в пазу с возмон
1520253 длуги
ngpg
www.findpatent.ru
Класс 14-а
Мо 1854
ПАТЕНТ HA ИЗОБРЕТЕНИЕ
ОПИСАНИЕ прямоточной паровой машины.
К патенту С. Т. Синицына, заявленному 28 сентября 1923 года (заяв. свил. М 77353).
0 выдаче патента опубликовано 30 ноября )926 года. Действие патента распространяется на )в ает от )й сентября )9"4 года.
Предлагаемая прямоточная (т.-е. I с постоянным направлением течения пара) паровая машина не имеет спе-, циального парораспределительного органа (так как таковым является поршень паровой машины) и предназначается для работы паром высокого, давления.
На фиг. 1 изображен перспективный вид машины, на фиг. 2 — ее продольный разрез, на фиг. 3 †поперечный разрез цилиндра через паровпуск-, ные отверстия и на фиг. 4 — попе- речный разрез поршня и цилиндра через крайнее паровпускное отверстие.
Паровпускное отверстие 1 находится на середине цилиндра, а длина поршня немного больше половины длины цилиндра. На некотором расстоянии от концов поршня. в тех ме-, стах, которые приходятся в мертвых (крайних) положениях поршня, против паровпускного отверстия 1, сде-, ланы два отверстия 2, соединенные внутри поршня трубкой (паропроходом) 3. Цилиндр на своих концах, (в местах, приходящихся при крайних положениях поршня над отверстиями 2) снабжен углублениями 4 (проходы в пространсгво между поршнем и крышкам)1 Цилиндра). Несколько по сторонам от середины цилиндра делаются два ряда паровыпускных отверстий 5 (на фиг. 2 паровыпускные отверстия. закрытые поршнем, ооозначены пунктиром). К фланцу б 1)pllвертывается труба, ведущая к конденсатору. При крайнем положении поршня пар, проходя через одно отверстие 2 и трубку 3, выходит через другое отверстие 2 и через ynyoëåние 4 в пространство между поршнем и крышкой цилиндра и. наполнив его, толкает поршень, который, двигаясь, закрывает отверстия 2. Пар давит на поршень и, расширяясь. производит работу, K концу хода гюршня откоываются паровы пуск ные отверстия э со стороны отработавшего пара, и пар выходит из цилиндра; в то же время отверстия 2 подходят к отверстию 1 и к углублению 4, и пар входит в цилиндр. затормаживает поршень и толкает его обратно. Ilp)) обратном ходе поршень закрывает впускные отверстия 2 и выпускные о.
Расширяясь, пар производит работу.
С другой стороны. остатки отработавшего пара сжимаются. В конце хода опять открываются отверстия 5, отработавший пар выходит, а в открывшиеся отверстия 2 проходит свежий пар и т. д. Отверстия 2 не должны быть очень большими, так: как иначе пар не будет давать поршню доходить до конца, а машина не будет работать. Пространства между поршнем и крышками цилиндра не должны быть очень малыми, так как тогда и отверстия 2 должны быть очень малы и, следовательно, рабо- тать будут малые количества пара (машина будет маломощна). Увеличивая несколько пространство между поршнем и крышкой цилиндра, можно увеличить ее отверстия 2 (увеличится, и мощность машины). Регулирование, производится дроссельным клапаном, соединенным с центробежным регулятором и находящимся в паропроводной трубе. Предлагаемая машина может быть очень быстроходной.
HPLÄÌ ET ПЛТГНТЛ.
Прямоточная паровая машина с выпуском пара через щели, открываемые и закрываемые поршнем. характеризующаяся тем, что цилиндр на концах своих снабжен углублениями 4, а поршень снабжен трубкой 3 с отверстиями 2, соединяющими близ мертвых положений поршня паровпускное отверстие 7 через углубления 4 с рабочей полостью цилиндра.
Типо-иитогра >па «Красный Печатник», Ленин рад, Хекдународный, 75.
Похожие патенты:
Изобретение относится к двигателестроению и касается усовершенствования паровых и вакуумных двигателей
Изобретение относится к машиностроению, в частности к поршневым паровым двигателям, и может быть использовано в промышленности, сельском хозяйстве, здравоохранении, других отраслях экономики или в социальной сфере
Изобретение относится к машиностроению двигателей различного назначения и использования
Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в паросиловых установках
Изобретение относится к энергомашиностроению и касается усовершенствования поршневых двигателей и паросиловых установок с поршневыми двигателями
Устройство относится к области тепловых машин. Паровая машина включает заполненные рабочим телом вертикальные цилиндры, нагреватели/испарители, расположенные в верхних частях цилиндров, холодильники/конденсаторы, расположенные в нижних частях цилиндров, и поршни. Содержит две одинаковые паровые машины, внутренние полости цилиндров которых ниже уровня расположения холодильников/конденсаторов напрямую соединены с противоположными торцами одного общего для обеих машин цилиндра магнитной защелки. Цилиндр представляет собой расположенную горизонтально трубу, на обоих торцах которой размещены втулки из ферромагнитного материала. Внутри втулки размещен поршень, на обоих торцах которого размещены магниты. Поршень может свободно перемещаться по оси трубы от одного торца до другого так, что магниты на обоих торцах поршня могут соприкасаться с соответствующими втулками. Внутренние полости цилиндров каждой машины заполнены рабочим телом таким образом, что в положении контакта поршня магнитной защелки и одного из торцов цилиндра магнитной защелки рабочее тело паровой машины, соединенной с данным торцом, находится в контакте с нагревателем/испарителем. Рабочее тело паровой машины, соединенной с противоположным торцом, находится в контакте с холодильником/конденсатором соответствующей паровой машины. Максимально упрощается конструкция. 6 з.п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится к области объемного гидропривода и может быть использовано, например, для переключения источников питания в гидросистемах летательных аппаратов
Прямоточная паровая машина
www.findpatent.ru
Революция в промышленности началась в середине XVIII в. в Англии с возникновением и внедрением в промышленное производство технологических машин. Промышленный переворот представлял собой замену ручного, ремесленного и мануфактурного производства, машинным фабрично-заводским.
Рост спроса на машины, строившиеся уже не для каждого конкретного промышленного объекта, а на рынок и ставшие товаром, привел к возникновению машиностроения, новой отрасли промышленного производства. Зарождалось производство средств производства.
Широкое распространение технологических машин сделало совершенно неизбежной вторую фазу промышленного переворота -внедрение в производство универсального двигателя.
Если старые машины (песты, молоты и т.д), получавшие движение от водяных колес, были тихоходными и обладали неравномерным ходом, то новые, особенно прядильные и ткацкие, требовали вращательного движения с большой скоростью. Таким образом, требования к техническим характеристикам двигателя приобрели новые черты: универсальный двигатель должен отдавать работу в виде однонаправленного, непрерывного и равномерного вращательного движения.
В этих условиях появляются конструкции двигателей, пытающиеся удовлетворить назревшие требования производства. В Англии было выдано свыше десятка патентов на универсальные двигатели самых разнообразных систем и конструкций.
Однако первыми практически действующими универсальными паровыми машинами считаются машины, созданные русским изобретателем Иваном Ивановичем Ползуновым и англичанином Джеймсом Уаттом [1].
В машине Ползунова из котла по трубам пар с давлением, немного превышающим атмосферное, поступал поочередно в два цилиндра с поршнями. Для улучшения уплотнения поршни заливали водой. Посредством тяг с цепями движение поршней передавалось мехам трех медеплавильных печей.
Постройка машины Ползунова была закончена в августе 1765 года. Она имела высоту 11 метров, емкость котла 7 м , высоту цилиндров 2,8 метра, мощность 29 кВт.
Машина Ползунова создавала непрерывное усилие и была первой универсальной машиной, которую можно было применять для приведения в движение любых заводских механизмов.
Уатт начал свою работу в 1763 году почти одновременно с Ползуновым, но с иным подходом к проблеме двигателя и в другой обстановке. Ползунов начинал с общеэнергетической постановки задачи о полной замене зависящих от местных условий гидросиловых установок универсальным тепловым двигателем. Уатт начинал с частной задачи -повышения экономичности двигателя Ньюкомена в связи с порученной ему как механику университета в Глазго (Шотландия) работой по починке модели водоотливной паровой установки.
Окончательное промышленное завершение двигатель Уатта получил в 1784 году. В паровой машине Уатта два цилиндра были заменены одним закрытым. Пар поступал попеременно по обе стороны поршня, толкая его то в одну, то в другую сторону. В такой машине двойного действия отработавший пар конденсировался не в цилиндре, а в отдельном от него сосуде - конденсаторе. Постоянство числа оборотов маховика поддерживалось центробежным регулятором скорости.
Главным недостатком первых паровых машин был низкий, не превышавший 9%, КПД [1].
Специализация паросиловых установок и дальнейшее развитие
Паровых машин
Расширение сферы применения парового двигателя требовало все более широкой универсальности. Началась специализация тепловых силовых установок. Продолжали совершенствоваться водоподъемные и шахтные паровые установки. Развитие металлургического производства стимулировало совершенствование воздуходувных установок. Появились центробежные воздуходувки с быстроходными паровыми машинами. В металлургии начали применять прокатные паросиловые установки и паровые молоты. Новое решение было найдено в 1840 году Дж. Несмитом, объединившим паровой двигатель с молотом.
Самостоятельное направление составили локомобили - передвижные паросиловые установки, история которых начинается в 1765 году, когда английский строитель Дж. Смитон разработал передвижную установку [1]. Однако заметное распространение локомобили получили только с середины XIX века.
После 1800 года, когда кончился десятилетний срок привилегий фирмы "Уатт и Болтон", доставивший компаньонам громадные капиталы, другие изобретатели получили наконец свободу действий. Почти сразу были реализованы не применявшиеся Уаттом прогрессивные методы: высокое давление и двойное расширение. Отказ от балансира и использование многократного расширения пара в нескольких цилиндрах привели к созданию новых конструктивных форм паровых двигателей. Двигатели двухкратного расширения стали оформляться в виде двух цилиндров: высокого давления и низкого давления, либо как компаунд-машины с углом заклинивания между кривошипами 90°, либо как тандем-машины, в которых оба поршня насажены на общий шток и работают на один кривошип [2].
Большое значение для повышения КПД паровых двигателей имело использование с середины XIX века перегретого пара, на эффект которого указал французский ученый Г.А. Гирн. Переход к использованию перегретого пара в цилиндрах паровых машин потребовал длительной работы по конструированию цилиндрических золотников и клапанных распределительных механизмов, освоению технологии получения минеральных смазочных масел, способных выдерживать высокую температуру, и по конструированию новых типов уплотнений, в частности с металлической набивкой, чтобы постепенно перейти от насыщенного пара к перегретому с температурой 200 - 300 градусов Цельсия.
Последний крупный шаг в развитии паровых поршневых двигателей -изобретение прямоточной паровой машины, сделанное немецким профессором Штумпфом в 1908 году.
Во второй половине XIX века в основном сложились все конструктивные формы паровых поршневых двигателей.
Новое направление в развитии паровых машин возникло при их использовании в качестве двигателей электрогенераторов электрических станций с 80 - 90 годов XIX века.
К первичному двигателю электрического генератора предъявлялось требование большой скорости, высокой равномерности вращательного движения и непрерывно возрастающей мощности.
Технические возможности поршневого парового двигателя - паровой машины - являвшегося универсальным двигателем промышленности и транспорта в течение всего XIX века уже не соответствовали потребностям, возникшим в конце XIX века в связи со строительством электростанций. Они могли быть удовлетворены только после создания нового теплового двигателя - паровой турбины.
Паровой котел
В первых паровых котлах применялся пар атмосферного давления. Прототипами паровых котлов послужила конструкция пищеварительных котлов, откуда и возник сохранившийся до наших дней термин "котел".
Рост мощности паровых двигателей вызвал к жизни и поныне существующую тенденцию котлостроения: увеличение
паропроизводительности - количества пара, производимого котлом в час.
Для достижения этой цели устанавливали по два-три котла для питания одного цилиндра. В частности, в 1778 году по проекту английского машиностроителя Д. Смитона была сооружена трехкотельная установка для откачивания воды из Кронштадских морских доков [1].
Однако если рост единичной мощности паросиловых установок требовал повышения паропроизводительности котлоагрегатов, то для увеличения КПД требовалось повышение давления пара, для чего были нужны более прочные котлы. Так возникла вторая и поныне действующая тенденция котлостроения: увеличение давления. Уже к концу XIX века давление в котлах достигало 13-15 атмосфер [2].
Требование повышения давления противоречило стремлениям увеличить паропроизводительность котлоагрегатов. Шар - наилучшая геометрическая форма сосуда, выдерживающая большое внутреннее давление, дает минимальную поверхность при данном объеме, а для увеличения паропроизводительности нужна большая поверхность. Наиболее приемлемым оказалось использование цилиндра - следующей за шаром геометрической формы в отношении прочности. Цилиндр позволяет сколь угодно увеличивать его поверхность за счет увеличения длины. В 1801 году О. ЭЬанс в США построил цилиндрический котел с цилиндрической внутренней топкой с чрезвычайно высоким для того времени давлением порядка 10 атмосфер. В 1824 году СВ. Литвинов в Барнауле разработал проект оригинальной паросиловой установки с прямоточным котлоагрегатом, состоящим из оребренных труб.
Для увеличения котельного давления и паропроизводительности потребовалось уменьшение диаметра цилиндра (прочность) и увеличение его длины (производительность): котел превращался в трубу. Существовали два способа дробления котлоагрегатов : дробились газовый тракт котла или водяное пространство. Так определились два типа котлов: жаротрубные и водотрубные.
Во второй половине XIX века были разработаны достаточно надежные парогенераторы, позволяющие иметь паропроизводительность до сотен тонн пара в час. Паровой котел представлял собой комбинацию стальных тонкостенных труб небольшого диаметра. Эти трубы при толщине стенки в 3-4 мм позволяют выдерживать очень высокое давление [2]. Высокая производительность достигается за счет суммарной длины труб. К середине XIX века сложился конструктивный тип парового котла с пучком прямых, слегка наклоненных труб, ввальцованных в плоские стенки двух камер - так называемый водотрубный котел. К концу XIX века появился вертикальный водотрубный котел, имеющий вид двух цилиндрических барабанов, соединенных вертикальным пучком труб. Эти котлы с их барабанами выдерживали более высокие давления.
В 1896 году на Всероссийской ярмарке в Нижнем Новгороде демонстрировался котел В.Г.Шухова. Оригинальный разборный котел Шухова был транспортабелен, имел невысокую стоимость и малую металлоемкость. Шухов впервые предложил топочный экран, применяющийся в наше время. т£Л №№0№lfo 9-1* #5^^^
К концу XIX века водотрубные паровые котлы позволяли получить поверхность нагрева свыше 500 м и производительность свыше 20 тонн пара в час, которая в середине XX века возросла в 10 раз.
megaobuchalka.ru
Горизонтальная стационарная двухцилиндровая паровая машина для привода заводских трансмиссий. Конец XIX в. Экспонат Музея Индустриальной Культуры. Нюрнберг 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 построена в XVII в. Папеном и представляла цилиндр с поршнем, который поднимался 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.
Рис. 4. Схема паровой машины тандем: 1 – поршень, 2 – поршневой шток, 3 – подшипник, 4 – шатун, 5 – кривошип, 6 – движение эксцентрикового клапана, 7 – маховик, 8 – скользящий клапан, 9 – центробежный регулятор 
Схема работы паровой машины двойного действия Для привода паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям.
Принцип действия паровой машины показан на илл. 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 на рис. 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 П. м. 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 (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
ηth=WoutQin{\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 передается 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):
ηth≤1−T2T1{\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 чуть ли не 1 градус. 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.
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 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.
Первая паровая машина Папена (1690) 
Паровая машина Папена Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться.
Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, турецким астрономом, физиком и инженером XVI века Такиюддином аш-Шами. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса.
Подобную машину предложил в 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.
Паровая машина была создана испанским изобретателем Иеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т. Севери (см. ниже). Принцип действия и применение паровых машин были описаны также в 1655 году англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 году он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в 19-м столетии). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной.
Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-х в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 году создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала только как демонстрационная модель: для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла, проложив таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. Однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил. Папен также проектировал лодку, приводимую в движение колесом с реактивной силой в комбинации концепций Таки ад-Дина и Севери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.
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 Севери в 1698 году. На своё устройство Севери в 1698 году получил патент. Это был паровой насос без поршня, 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 насоса 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».
В 1712 году английский кузнец Томас Ньюкомен продемонстрировал свой «атмосферный (вакуумный) двигатель». Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором Ньюкомен применил цилиндр с поршнем и существенно снизил рабочее давление пара. 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. Именно насос Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение.
В 1720 г. немецкий физик Якоб Лёйпольд[en] изобрёл двухцилиндровый паровой двигатель высокого давления, в котором рабочий ход совершается не низким давлением вакуума, образующимся после впрыска воды в цилиндр с горячим водяным паром, как в вакуумных двигателях, а высоким давлением горячего водяного пара. Отработанный пар сбрасывается в атмосферу. Но машины высокого давления были построены только через 80 лет, в начале XIX века, американцем Оливером Эвансом и англичанином Ричардом Тревитиком.
В 1763 году механиком И. И. Ползуновым была спроектирована первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах, которая была построена в 1764 году.
В 1765 г. Джеймс Уатт, для повышения КПД вакуумного двигателя Ньюкомена, сделал отдельный конденсатор. Двигатель всё ещё оставался вакуумным.
В 1781 году Джеймс Уатт запатентовал вакуумную паровую машину с кривошипношатунным механизмом, которая производила непрерывное вращательное движение вала (в отличие от поступательного движения в вакуумном двигателе водоподъёмного насоса Ньюкомена). Двигатель всё ещё оставался вакуумным, но вакуумный двигатель Уатта с кривошипно-шатунным механизмом, мощностью десять лошадиных сил, стало возможным, при наличии каменного угля и воды, устанавливать и использовать в любом месте для любой цели. С вакуумным двигателем Уатта принято связывать начало промышленной революции в Англии.
Дальнейшим повышением эффективности парового двигателя было применение пара высокого давления американцем Оливером Эвансом и англичанином Ричардом Тревитиком.
В 1786 году Эванс попытался было запатентовать обычный паровой автомобиль, в котором приводом служила паровая машина высокого давления, но патентное управление отказало Эвансу, посчитав его идею нелепой фантазией. Позже Эванс изготовил в общей сложности около полусотни подобных машин, большая часть которых использовалась для привода насосных установок.
Ричард Тревитик, инициатор создания и применения стационарных машин, работающих при высоких давлениях (получил патент на «машину высокого давления» в 1800), освоил на практике цилиндрические паровые (так называемые «корнваллийские») котлы (1815). С 1797 строил модели паровых повозок, а в 1801 начал строить оригиналы повозок, последняя из которых прошла успешные испытания в Корнуэлле и Лондоне (1802—1803).
В 1801 году Ричард Тревитик построил первый в истории паровоз "Puffing Devil", затем в 1802 году паровоз "Coalbrookdale" для одноимённой угольной компании.
Тревитик успешно строил 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. Множество вакуумных двигателей, построенных ранее по схеме Джеймса Уатта, после изобретения Эванса и Тревитика были перестроены по схеме «корнуэльского двигателя» высокого давления.
В 1769 году французский изобретатель Николя-Жозеф Кюньо 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 Делавэр между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7—8 узлов. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в городе Мертир-Тидвил в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком.
В 1824 году французский учёный и инженер Сади Карно в своём сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» впервые описал цикл работы термодинамической системы, позже названный его именем[1][2].
Следует отметить, что распространение парового двигателя шло постепенно: механизмы, использующие водную и ветряную энергию, ещё долго конкурировали с паровыми машинами. В частности, до 1870 года в Соединённых Штатах большинство фабрик использовали энергию водяных турбин, а не паровых двигателей[3].
Паровые машины разделяются:
По типу передаточного механизма паровые машины многократного расширения делятся на тандем-машины (рис. 4) и компаунд-машины (рис. 5). Особую группу составляют прямоточные паровые машины, в которых выпуск пара из полости цилиндра осуществляется кромкой поршня.
По их применению: на стационарные машины и нестационарные (в том числе передвижные), устанавливаемые на различные типы транспортных средств.Стационарные паровые машины могут быть разделены на два типа по режиму использования:
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.
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.
wikiredia.ru
Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к паровым прямоточным двигателям, предназначенным для получения электроэнергии и привода машин и механизмов. Содержит корпус, в котором расположен цилиндр с поршнем, соединенным через кривошипно-шатунный механизм с валом двигателя. На торце цилиндра закреплен корпус золотника для впуска пара. В корпусе золотника подвижно установлен выполненный в виде трубки золотник для впуска пара. Впускные паропроводы двигателя сообщены с полостью корпуса золотника и полостью золотника для впуска пара. На торце цилиндра закреплен второй корпус золотника для выпуска пара, в котором подвижно установлен выполненный в виде трубки золотник для выпуска пара, при этом корпус золотника для выпуска пара имеет выпускные паропроводы, сообщенные с полостями второго корпуса и второго золотника. В золотниках выполнены верхние и нижние отверстия, а в корпусах золотников выполнены верхние и нижние отверстия для выпуска пара. Золотник для впуска пара выполнен с глухим верхним торцом. Повышается компактность и упрощается конструкция двигателя. 4 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, к паровым прямоточным двигателям, предназначенным для получения электроэнергии и привода машин и механизмов, причем особенностью двигателя является подача пара через крышку цилиндра.
В наиболее распространенных прямоточных двигателях корпус механизма парораспределения располагается отдельно от корпуса поршневого двигателя, что приводит к усложнению конструкции, потерям мощности и КПД двигателя. Известны различные конструкции двигателей указанного типа, решающие задачу упрощения их конструкций, повышения мощности и КПД.
Например, известен парогазовый поршневой двигатель, в котором для повышения КПД содержится источник питания, силовой цилиндр, поршень со штоком, установленные в цилиндре с образованием штоковой и поршневой полостей, ресивер высокого давления, распределительное устройство, выполненное в виде двухпозиционного дифференциального золотника, ресивер низкого давления и вспомогательный дифференциальный цилиндр, причем ресивер высокого давления сообщается со штоковой полостью через отверстие в силовом цилиндре, закрываемое торцом поршня при расположении последнего в исходном положении, а управляющая полость дифференциального золотника через пусковой клапан и регулируемый дроссель подключена к штоковой полости силового цилиндра, при этом поршневая полость вспомогательного дифференциального цилиндра постоянно сообщена с ресивером низкого давления, двухпозиционный золотник выполнен четырехлинейным и его вход соединен с источником питания, первый выход - с поршневой полостью силового цилиндра, второй выход - с ресивером низкого давления, а канал сброса подключен к штоковой полости вспомогательного цилиндра (RU 2330160 C1, 27.07.2008).
Известен также поршневой двигатель, содержащий размещенные в рабочем цилиндре поршень со штоком, распределительное устройство, включающее фиксатор и переключающий золотник, кинематически связанный двухпозиционным прерывистым механизмом зацепления со штоком цилиндра и подключенный двумя линиями связи к камерам привода перестановки подпружиненного с одной стороны запоминающего золотника, две рабочие линии которого подключены к полостям рабочего цилиндра, а также, по меньшей мере, один поршневой компенсатор, подключенный к линии связи, причем с целью расширения диапазона применения и повышения надежности, он снабжен перепускным клапаном, включенным между линиями связи переключающего золотника, механизм зацепления которого установлен соосно со штоком рабочего цилиндра, а фиксатор выполнен в виде двух поясков, установленных по краям переключающего золотника с образованием торцевых камер, подключенных каждая к одной из линий связи, при этом привод перестановки выполнен в виде поршня, опертого на пружину запоминающего золотника (RU 2018707 C1, 30.08.1994). Данный двигатель по существу содержит цилиндр, поршень, золотник, взаимодействующий с поршнем через систему управления работой двигателя, которая включает толкатель зацепа, двухпозиционный прерывистый механизм зацепления штока рабочего цилиндра, расположенный соосно штоку, причем толкатель зацепа жестко связан со штоком цилиндра, а зацеп жестко связан с переключающим золотником другого запоминающего золотника. Двигатель преобразует энергию рабочей среды в движения рабочего поршня за счет автоматического переключения подачи рабочей среды в правую и левую полости рабочего цилиндра запоминающим золотником, при этом одновременно переключается и слив рабочей среды. Данная конструкция двигателя является сравнительно сложной.
Известен пневмодвигатель возвратно-поступательного действия, содержащий корпус с торцовыми крышками, поршень со штоком, поршневую и штоковую полости, канал в корпусе для подачи в цилиндр рабочей среды и сообщающий штоковую полость с источником давления, канал отвода рабочей среды, выполненный в поршне и штоке, сообщенный с поршневой полостью (SU 1245773 A1, 23.07.1986).
Известен механизм парораспределения для поршневого двигателя, отличающийся тем, что в качестве органов парораспределения применено необходимое количество небольших по размеру и массе односедельных круглых, не разгруженных от осевой силы клапанов, установленных в крышках рабочих цилиндров таким образом, что избыточное максимальное давление пара всегда прижимает их к седлам, приводимым в действие от распределительных валов с профилированными в радиальном и осевом направлениях кулачками и имеющим возможность перемещаться в осевом направлении в целях количественного регулирования двигателя (отдельных цилиндров в частности), посредством штанг, толкателей и рычажного механизма (RU 2006139496 A, 20.05.2008). В этой заявке представлена паросиловая установка, состоящая из соединенных между собой гидравлически парового котлоагрегата, поршневого двигателя двойного расширения, конденсационной установки и механизма парораспределения двигателя.
Из представленных аналогов близким является поршневой двигатель, содержащий цилиндр, установленный в цилиндре поршень, золотник в корпусе, в стенке корпуса золотника выполнены отверстия, сообщенные с каналами паропроводов, которые закреплены на стенке корпуса золотника, отверстия в корпусе золотника и каналы паропроводов сообщены между собой через полость золотника и с источником рабочей среды, а в цилиндре выполнены окна для выпуска рабочей среды (RU 2018707 C1, 30.08.1994).
Данный двигатель имеет сравнительно сложную конструкцию, сложность приводит к увеличению числа пар трения, что в результате приводит к потерям мощности на преодоление трения, а также к потерям пара через уплотнения, Из зарубежной патентной документации известен поршневой двигатель, содержащий цилиндр с установленным в нем поршнем, каналы подачи рабочего тела в поршневую и штоковую полости цилиндра, распределитель рабочего тела с регулирующим гидравлическим клапаном (US 4022269 A, 10.05.1977), причем в другом известном поршневом двигателе каналы подачи рабочей среды в поршневую и штоковую полости цилиндра сообщены через трубчатый золотник, который установлен параллельно цилиндру (US 2265667 A, 12.01.1954).
В другом известном поршневом двигателе (US 1661558 A) золотник выполнен за одно с поршнем методом литья, что существенно усложняет конструкцию двигателя. Как следует из описания US 1661558 A, поршень этого двигателя имеет ступенчатую форму и его верхняя ступень, имеющая меньший диаметр, выполняет функции золотника. Эта ступень выполнена глухой, в ней нет отверстий, сообщающих полость золотника с каналами распределительного устройства двигателя. Движение рабочего тела (пара) известного двигателя требует применения дополнительного поршневого механизма для всасывания рабочего тела, что в итоге связано со сложностью устройства известного двигателя.
Из известных двигателей наиболее близким к двигателю, представленному в данном описании, является паровой прямоточный двигатель, в котором орган парораспределения перемещается вместе с поршнем как одна часть двигателя (RU 2548241 C1, 20.04.2015, прототип).
Указанный патент, выданный на имя заявителя данной заявки, представляет поршневой двигатель, содержащий цилиндрический корпус, по меньшей мере, одного цилиндра, установленный в корпусе цилиндра поршень, который шарнирно соединен с шатуном, и золотник, установленный в корпусе золотника, причем цилиндр выполнен с торцовой стенкой и отверстием в ней, золотник выполнен полым с верхними и нижними радиальными отверстиями в стенке золотника, в корпусе золотника выполнены радиальные отверстия, совмещаемые с нижними отверстиями полого золотника, нижние отверстия золотника сообщены с полостью цилиндра, полостью корпуса золотника и полостью золотника, корпус золотника установлен в отверстии торцовой стенки и жестко соединен с корпусом цилиндра, при этом золотник жестко соединен с поршнем с возможностью перемещения относительно корпуса цилиндра и корпуса золотника.
Второй вариант поршневого двигателя по патенту RU 2548241 C1 содержит цилиндрический корпус, по меньшей мере, одного цилиндра, установленный в корпусе цилиндра поршень, который шарнирно соединен с шатуном, и золотник, установленный в корпусе золотника, причем цилиндр выполнен с торцовой стенкой и отверстием в ней, золотник выполнен полым с верхними и нижними радиальными отверстиями в стенке золотника, в корпусе золотника выполнены радиальные отверстия, совмещаемые с нижними отверстиями полого золотника, нижние отверстия золотника сообщены с полостью цилиндра, полостью корпуса золотника и полостью золотника, корпус золотника установлен в отверстии торцовой стенки и жестко соединен с корпусом цилиндра, при этом в верхней части золотник закрыт крышкой, закрывающей сверху полость золотника, а нижний торец золотника расположен в полости цилиндра с возможностью контакта торца золотника с поршнем.
В патенте RU 2548241 C1 представлен также цилиндрический корпус поршневого двигателя одного цилиндра, корпус золотника с отверстиями в его стенке для подвода рабочей среды в золотник, причем цилиндрический корпус выполнен с верхней торцовой стенкой, в которой выполнено отверстие и в нем закреплен корпус золотника, а в стенке цилиндра выполнены выхлопные отверстия.
В двигателе по патенту RU 2548241 C1 для впуска пара применен цилиндрический золотник, представляющий собой полую трубку с креплением к поршню, в верхней и нижней частях которой имеются отверстия для прохода пара. Золотник движется в цилиндрическом корпусе, внутренняя поверхность которого плотно прилегает к внешней поверхности золотника и его уплотнениям, не позволяя пару свободно проходить между и золотником, и корпусом. Корпус прикреплен к крышке цилиндра так, что золотник, будучи прикреплен к поршню, свободно движется вместе с поршнем через крышку цилиндра. К корпусу подсоединен паропровод для подачи пара, а выпуск пара осуществляется через боковые окна цилиндра, как в обычном прямоточном двигателе. Отверстия в золотнике расположены так, что в период впуска пара в цилиндр верхние отверстия совпадают с отверстиями в корпусе для подвода пара из паропровода, а нижние отверстия позволяют выйти пару в пространство между поршнем и крышкой цилиндра, после того как пар прошел по внутреннему каналу золотника.
Общими признаками прототипа и представленного в данном описании технического решения является то, что каждый паровой двигатель содержит корпус, в котором расположен цилиндр с поршнем, соединенным через кривошипно-шатунный механизм с валом двигателя, на торце поршня закреплен корпус золотника для впуска пара, в корпусе золотника подвижно установлен выполненный в виде трубки золотник для впуска пара, а также впускные паропроводы, сообщенные с полостью корпуса золотника и полостью золотника для впуска пара.
Компоновка двигателя, изготовленного в соответствии с прототипом, позволила существенно упростить конструкцию и устранить потери сжатого пара, однако как показали испытания двигателя, он является сравнительно сложным и эта сложность связана с наличием боковых окон в цилиндре, через которые выпускается отработанный пар. Боковые окна в цилиндре связаны с необходимостью усложнения конструкции введением в конструкцию средств для отвода пара и закрывания указанных окон. При этом, как показали испытания изготовленного в соответствии с прототипом двигателя, его габариты не отвечают показателям компактности и не позволяют оптимально компоновать его с узлами транспортных и силовых машин.
Техническим результатом данного изобретения является повышение компактности и упрощение конструкции двигателя.
Технический результат получен паровым двигателем, содержащим корпус, в котором расположен цилиндр с поршнем, соединенным через кривошипно-шатунный механизм с валом двигателя, на торце цилиндра закреплен корпус золотника для впуска пара, в корпусе золотника подвижно установлен выполненный в виде трубки золотник для впуска пара, а также впускные паропроводы, сообщенные с полостью корпуса золотника и полостью золотника для впуска пара, причем на торце цилиндра закреплен второй корпус золотника для выпуска пара, в котором подвижно установлен выполненный в виде трубки золотник для выпуска пара, при этом корпус золотника для выпуска пара имеет выпускные паропроводы, сообщенные с полостями второго корпуса и второго золотника, в золотниках выполнены верхние и нижние отверстия, а в корпусах золотников выполнены верхние и нижние отверстия для выпуска пара, при этом золотник для впуска пара выполнен с глухим верхним торцом.
На фиг. 1 показан паровой двигатель при достижении поршнем ВМТ, положение впуска сжатого пара;
на фиг. 2 - двигатель при достижении поршнем НМТ, выпуск отработавшего пара;
на фиг. 3 - двигатель при достижении поршнем промежуточного положения, период работы пара или положение поршня при его возврате в исходное положение перед впуском пара в цилиндр;
на фиг. 4 - вид на двигатель сверху (увеличено).
Паровой двигатель (фиг. 1) содержит корпус 1 с цилиндром 2, имеющим крышку 3, образующую торец цилиндра. В цилиндре расположен поршень 4. На торце цилиндра закреплены корпус 5 золотника для впуска пара и корпус 6 золотника для выпуска пара. Верхние торцы корпусов 5 и 6 выполнены глухими. Корпус каждого золотника выполнен трубчатым. В корпусе 5 подвижно установлен трубчатый впускной золотник 7 для впуска пара, который закрыт сверху глухим торцом. В корпусе 6 подвижно установлен трубчатый выпускной золотник 8 для выпуска пара. Трубчатые золотники внутри имеют центральные полости.
Двигатель имеет связанный с поршнем 4 шатун 9, с которым связан коленчатый вал 10 с закрепленным на нем маховиком 11. Двигатель имеет впускные паропроводы 12 (фиг. 4), сообщенные с полостью корпуса 5 золотника и полостью золотника 7, и выпускные паропроводы 13, сообщенные с полостью корпуса 6 золотника и полостью золотника 8. В золотниках 7 и 8 (фиг. 1-3) выполнены верхние и нижние отверстия. Верхней черной точкой на впускном золотнике 7 (фиг. 2) показаны верхние впускные отверстия 14 впускного золотника 7. Отверстия 14 расположены в стенках трубчатого золотника. Верхней черной точкой на выпускном золотнике 8 (фиг. 1) показаны выпускные отверстия 15 выпускного золотника 8, выполненные в стенках трубчатого золотника 8. Верхним белым кружком на корпусе 5 (фиг. 2) показаны отверстия 16 в нем для впуска пара, выполненные в стенках трубчатого корпуса 5. Верхним белым кружком на корпусе 6 (фиг. 1) показаны отверстия 17 в корпусе 6 золотника для выпуска пара, выполненные в стенках корпуса 6. Нижними черными точками на золотниках 7 и 8 показаны отверстия 18 для прохода пара в золотники и выхода пара из золотников. Каждый золотник представляет собой полую трубку, прикрепленную к поршню. Жесткое соединение золотника с поршнем осуществлено так, что оно не мешает проходу пара. Корпус каждого золотника прикреплен к крышке 3 цилиндра так, что прикрепленный к поршню каждый золотник, свободно движущийся вместе с поршнем, движется в отверстии в крышки цилиндра. Размеры и расположение отверстий в каждом золотнике и каждом корпусе золотника подобраны с учетом того, что в течение периодов выпуска и впуска пара, отверстия остаются полностью или частично совмещены для прохода пара. В отличие от выпускного золотника 8 верхний торец впускного золотника 7 выполнен глухим, он закрыт верхней стенкой 19. Золотник 8 выполнен без верхней торцовой стенки, что не исключает выполнение золотника 8 с торцовой стенкой, выполненной так, как выполнен золотник 7. В случае исполнения золотника 8 с глухой верхней торцовой стенкой, возможно размещение дополнительного выпускного паропровода в верхней торцевой стенке корпуса 6 золотника 8.
Работает двигатель следующим образом. При работе двигателя каждый золотник движется в цилиндрическом корпусе, внутренняя поверхность которого плотно прилегает к внешней поверхности золотника и его уплотнениям, не позволяя пару свободно проходить между золотником и его корпусом. При движении поршня 4 (фиг. 1) вверх вместе с золотниками 7 и 8 осуществляется начало впуска пара в цилиндр через впускные паропроводы 12 (фиг. 4) непосредственно перед моментом достижения поршнем верхней мертвой точки (ВМТ). Это происходит в момент начала впуска пара через верхние отверстия 14 во впускном золотнике 7, когда отверстия 14 совмещаются с отверстиями 16 в корпусе 5 золотника 7. В этом положении пар проходит из подающего пар паропровода 12 через отверстия 14 и 16 в золотник 7 и далее, через центральную полость трубчатого впускного золотника 7 и нижние отверстия 18 золотника, пар попадает в цилиндр двигателя в надпоршневое пространство. При этом отверстия 15 выпускного золотника 8 перекрыты стенками корпуса 6 и пар не выходит из цилиндра в выпускные паропроводы 13.
После окончания периода впуска пара и прохождения поршнем ВМТ золотник 7 перемещается вместе с поршнем 4 в промежуточное положение (фиг. 3) к нижней мертвой точке (НМТ). Поскольку отверстия 14 золотника 7 перекрыты стенками корпуса 5, а сверху золотник закрыт глухим торцом, то пар из впускного паропровода 12 проходит через отверстия 16 в корпус 5 впускного золотника 7, при этом пар не попадает в цилиндр двигателя. Соответственно этому положению, отверстия 15 выпускного золотника 8 перекрыты стенками корпуса 6 и пар не выходит из цилиндра в выпускной паропровод 13. Кроме того, также отверстия 17 в выпускном корпусе 6 золотника 8 закрыты стенкой золотника и дополнительно препятствуют выходу пара наружу через выпускной паропровод 13. В этот период при перемещении поршня от ВМТ до НМТ происходит расширение находящегося в цилиндре пара, который действует на поршень и совершает полезную работу. Поскольку внутри золотников 7 и 8 пар присутствует, поступая через нижние отверстия 18 золотников, то он также участвует в работе при расширении пара.
При достижении НМТ верхние отверстия 15 в выпускном золотнике 8 совмещаются с отверстиями 17 в корпусе 6 этого золотника и пар выходит из цилиндра через нижние отверстия 18 золотника 8, его внутренний канал и далее, через отверстия 15 и 17, в выпускной паропровод 13. При этом отверстия 14 золотника 7 перекрыты стенками корпуса 5, сверху золотник закрыт глухим торцом корпуса и пар из впускного паропровода 12 проходит через отверстия 16 в корпус 5, но не попадает в цилиндр двигателя и не сообщается с выпускным паропроводом 13. При движении поршня вверх, после прохождения им НМТ, наступает промежуточное положение поршня (фиг. 3). В этот период, до момента достижения ВМТ, так же, как и в промежуточном положении при движении поршня вниз, отверстия 14, 15 и 17 перекрыты стенками и внутреннее пространство цилиндра не сообщается с впускным и выпускным паропроводами 12 и 13. В этот период происходит сжатие оставшегося в цилиндре и золотниках пара после его выпуска. При достижении поршнем ВМТ цикл работы двигателя повторяется.
Паровой двигатель имеет удовлетворяющую практическим требованиям компактность. Это достигнуто благодаря использованию части пространства над корпусом двигателя для размещения в нем выпускного золотника рядом с впускным золотником. Такая компоновка позволила исключить выпускные окна в цилиндре поршня, имеющие место в прототипе, что позволило существенно упростить конструкцию цилиндра и двигателя в целом.
Паровой двигатель, содержащий корпус, в котором расположен цилиндр с поршнем, соединенным через кривошипно-шатунный механизм с валом двигателя, на торце цилиндра закреплен корпус золотника для впуска пара, в корпусе золотника подвижно установлен выполненный в виде трубки золотник для впуска пара, а также впускные паропроводы, сообщенные с полостью корпуса золотника и полостью золотника для впуска пара, отличающийся тем, что на торце цилиндра закреплен второй корпус золотника для выпуска пара, в котором подвижно установлен выполненный в виде трубки золотник для выпуска пара, корпус золотника для выпуска пара имеет выпускные паропроводы, сообщенные с полостями второго корпуса и второго золотника, в золотниках выполнены верхние и нижние отверстия, а в корпусах золотников выполнены верхние и нижние отверстия для выпуска пара, при этом золотник для впуска пара выполнен с глухим верхним торцом.
www.findpatent.ru
Я Я4Я
Класс 14а, 17;
14d, 13
АВТОРСКОЕ СВИДЕТЕЛЬСТВО НА ИЗОБРЕТЕНИЕ
ОПИСАНИЕ прямоточной паровой машины.
К авторскому:свидетельству Н. А. Прохорова, заявленному
12 ноября 1931 года (спр. о перв. № 97474).
О выдаче авторского свидетельства опубликовано 31 декабря 1932 года.
Предмет изобретения.
Известны прямоточные паровые машины со впуском свежего пара через каналы в. поршневом штоке. В предлагаемой паровой машине, с целью обеспечения пуска ее в ход при всяком положении кривошипа, применены вспомогательные каналы, служащие для подвода по ним пара, распределяемого вручную помощью крана.
На чертеже изображен вертикальный разрез машины.
В предлагаемой машине перераспределение производится при помощи каналов в теле штока 1. Пар поступает через них в цилиндр в момент нахождения поршня в почти крайнем положении; выпуск отработанного пара производится через окно 2, как и в машине Штумпфа.
С целью обеспечения пуска машины в ход при любом положении кривошипа применены вспомогательные каналы 3, служащие для подвода по ним пара, распределяемого вручную краном 4.
Прямоточная паровая машина со впуском свежего пара через каналы в поршневом штоке, отличающаяся применением с целью обеспечения пуска в ход машины, при всяком положении кривошипа, вспомогательных. каналов 3, служащих для подвода по ним пара, распределяемого вручную краном 4.
Похожие патенты:
Изобретение относится к системам накопления электрической энергии с использованием генератора и аккумуляторных батарей и предназначено для использования на транспортных средствах с двигателями внутреннего сгорания
Изобретение относится к машиностроению
Изобретение относится к машиностроению, а именно к двухтактным двигателям внутреннего сгорания с кривошипно-камерной продувкой
Изобретение относится к машиностроению, в частности, к двигателям внутреннего сгорания
Изобретение относится к области машиностроения
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двухтактным двигателям
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к четырехтактным двигателям внутреннего сгорания
Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к двухтактным двигателям внутреннего сгорания
Изобретение относится к машинам объемного действия, в частности к поршневым пневмодвигателям
Изобретение относится к двигателестроению
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, которые могут быть использованы в промышленности, сельском хозяйстве и на транспорте
Прямоточная паровая машина
www.findpatent.ru
Горизонтальная стационарная двухцилиндровая паровая машина для привода заводских трансмиссий. Конец XIX в. Экспонат Музея Индустриальной Культуры. Нюрнберг 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 построена в XVII в. Папеном и представляла цилиндр с поршнем, который поднимался 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.
Рис. 4. Схема паровой машины тандем: 1 – поршень, 2 – поршневой шток, 3 – подшипник, 4 – шатун, 5 – кривошип, 6 – движение эксцентрикового клапана, 7 – маховик, 8 – скользящий клапан, 9 – центробежный регулятор 
Схема работы паровой машины двойного действия Для привода паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям.
Принцип действия паровой машины показан на илл. 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 на рис. 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 П. м. 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 (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
ηth=WoutQin{\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 передается 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):
ηth≤1−T2T1{\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 чуть ли не 1 градус. 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.
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 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.
Первая паровая машина Папена (1690) 
Паровая машина Папена Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться.
Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, турецким астрономом, физиком и инженером XVI века Такиюддином аш-Шами. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса.
Подобную машину предложил в 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.
Паровая машина была создана испанским изобретателем Иеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т. Севери (см. ниже). Принцип действия и применение паровых машин были описаны также в 1655 году англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 году он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в 19-м столетии). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной.
Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-х в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 году создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала только как демонстрационная модель: для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла, проложив таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. Однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил. Папен также проектировал лодку, приводимую в движение колесом с реактивной силой в комбинации концепций Таки ад-Дина и Севери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.
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 Севери в 1698 году. На своё устройство Севери в 1698 году получил патент. Это был паровой насос без поршня, 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 насоса 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».
В 1712 году английский кузнец Томас Ньюкомен продемонстрировал свой «атмосферный (вакуумный) двигатель». Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором Ньюкомен применил цилиндр с поршнем и существенно снизил рабочее давление пара. 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. Именно насос Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение.
В 1720 г. немецкий физик Якоб Лёйпольд[en] изобрёл двухцилиндровый паровой двигатель высокого давления, в котором рабочий ход совершается не низким давлением вакуума, образующимся после впрыска воды в цилиндр с горячим водяным паром, как в вакуумных двигателях, а высоким давлением горячего водяного пара. Отработанный пар сбрасывается в атмосферу. Но машины высокого давления были построены только через 80 лет, в начале XIX века, американцем Оливером Эвансом и англичанином Ричардом Тревитиком.
В 1763 году механиком И. И. Ползуновым была спроектирована первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах, которая была построена в 1764 году.
В 1765 г. Джеймс Уатт, для повышения КПД вакуумного двигателя Ньюкомена, сделал отдельный конденсатор. Двигатель всё ещё оставался вакуумным.
В 1781 году Джеймс Уатт запатентовал вакуумную паровую машину с кривошипношатунным механизмом, которая производила непрерывное вращательное движение вала (в отличие от поступательного движения в вакуумном двигателе водоподъёмного насоса Ньюкомена). Двигатель всё ещё оставался вакуумным, но вакуумный двигатель Уатта с кривошипно-шатунным механизмом, мощностью десять лошадиных сил, стало возможным, при наличии каменного угля и воды, устанавливать и использовать в любом месте для любой цели. С вакуумным двигателем Уатта принято связывать начало промышленной революции в Англии.
Дальнейшим повышением эффективности парового двигателя было применение пара высокого давления американцем Оливером Эвансом и англичанином Ричардом Тревитиком.
В 1786 году Эванс попытался было запатентовать обычный паровой автомобиль, в котором приводом служила паровая машина высокого давления, но патентное управление отказало Эвансу, посчитав его идею нелепой фантазией. Позже Эванс изготовил в общей сложности около полусотни подобных машин, большая часть которых использовалась для привода насосных установок.
Ричард Тревитик, инициатор создания и применения стационарных машин, работающих при высоких давлениях (получил патент на «машину высокого давления» в 1800), освоил на практике цилиндрические паровые (так называемые «корнваллийские») котлы (1815). С 1797 строил модели паровых повозок, а в 1801 начал строить оригиналы повозок, последняя из которых прошла успешные испытания в Корнуэлле и Лондоне (1802—1803).
В 1801 году Ричард Тревитик построил первый в истории паровоз "Puffing Devil", затем в 1802 году паровоз "Coalbrookdale" для одноимённой угольной компании.
Тревитик успешно строил 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. Множество вакуумных двигателей, построенных ранее по схеме Джеймса Уатта, после изобретения Эванса и Тревитика были перестроены по схеме «корнуэльского двигателя» высокого давления.
В 1769 году французский изобретатель Николя-Жозеф Кюньо 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 Делавэр между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7—8 узлов. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в городе Мертир-Тидвил в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком.
В 1824 году французский учёный и инженер Сади Карно в своём сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» впервые описал цикл работы термодинамической системы, позже названный его именем[1][2].
Следует отметить, что распространение парового двигателя шло постепенно: механизмы, использующие водную и ветряную энергию, ещё долго конкурировали с паровыми машинами. В частности, до 1870 года в Соединённых Штатах большинство фабрик использовали энергию водяных турбин, а не паровых двигателей[3].
Паровые машины разделяются:
По типу передаточного механизма паровые машины многократного расширения делятся на тандем-машины (рис. 4) и компаунд-машины (рис. 5). Особую группу составляют прямоточные паровые машины, в которых выпуск пара из полости цилиндра осуществляется кромкой поршня.
По их применению: на стационарные машины и нестационарные (в том числе передвижные), устанавливаемые на различные типы транспортных средств.Стационарные паровые машины могут быть разделены на два типа по режиму использования:
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.
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.
Гравюра двигателя Ньюкомена. Это изображение скопировано с рисунка в работе Дезаглирса «курс экспериментальной философии», 1744, которая является изменённой копией гравюры Генри Битона, датированной 1717 годом. Вероятно, изображён второй двигатель Ньюкомена, установленный приблизительно в 1714 в угольной шахте Гриф в Уоркшире. 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.
Поршень связан цепью с концом большого коромысла, вращающегося вокруг своей середины. Насос под нагрузкой связан цепью с противоположным концом коромысла, которое под действием насоса возвращает поршень к верхней части цилиндра силой гравитации. Так происходит обратный ход. Давление пара низкое и не может противодействовать движению поршня.[4]
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 1774 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.
версия паровой машины, созданная Уаттом 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.[1]
Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничения 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.
Корнуэльская машина, построенная Тревитиком. Приблизительно в 1811 году Ричард Тревитик усовершенствовал машину Уатта. Давление пара над поршнем достигло 275 кПа (2,8 атмосферы), и именно оно давало основную мощность для совершения рабочего хода; кроме того, был существенно усовершенствован конденсатор. Такие машины получили название корнуэльских[en], и строились вплоть до 1890-х годов. Множество старых машин Уатта было реконструировано до этого уровня. Некоторые из корнуэльских машин имели весьма большой размер.
В паровых машинах пар поступает из котла в рабочую камеру цилиндра, где расширяется, оказывая давление на поршень и совершая полезную работу. После этого расширенный пар может выпускаться в атмосферу или поступать в конденсатор. Важное отличие машин высокого давления от вакуумных состоит в том, что давление отработанного пара превышает атмосферное или равно ему, то есть вакуум не создаётся. Отработанный пар обычно имел давление выше атмосферного и часто выбрасывался в дымовую трубу, что позволяло увеличить тягу котла.
Важность увеличения давления пара состоит в том, что при этом он приобретает более высокую температуру. Таким образом, паровая машина высокого давления работает при большей разнице температур чем та, которую можно достичь в вакуумных машинах. После того, как машины высокого давления заменили вакуумные, они стали основой для дальнейшего развития и совершенствования всех возвратно-поступательных паровых машин. Однако то давление, которое считалось в 1800 году высоким (275—345 кПа), сейчас рассматривается как очень низкое — давление в современных паровых котлах в десятки раз выше.
Дополнительное преимущество машин высокого давления состоит в том, что они намного меньше при заданном уровне мощности, и соответственно, существенно менее дорогие. Кроме того, такая паровая машина может быть достаточно лёгкой и компактной, чтобы использоваться на транспортных средствах. Возникший в результате паровой транспорт (паровозы, пароходы) революционизировал коммерческие и пассажирские перевозки, военную стратегию, и вообще затронул практически каждый аспект общественной жизни.
Следующим важным шагом в развитии паровых машин высокого давления стало изобретение в 1782 г. Джеймсом Уаттом машины двойного действия. В машинах одиночного действия поршень перемещался в одну сторону силой расширяющегося пара, но обратно он возвращался или под действием гравитации, или за счёт момента инерции вращающегося маховика, соединённого с паровой машиной.
В паровых машинах двойного действия свежий пар поочередно подается в обе стороны рабочего цилиндра, в то время как отработанный пар с другой стороны цилиндра выходит в атмосферу или в конденсатор. Это потребовало создания достаточно сложного механизма парораспределения. Принцип двойного действия повышает скорость работы машины и улучшает плавность хода.
Поршень такой паровой машины соединён со скользящим штоком, выходящим из цилиндра. К этому штоку крепится качающийся шатун, приводящий в движение кривошип маховика. Система парораспределения приводится в действие другим кривошипным механизмом. Механизм парораспределения может иметь функцию реверса для того, чтобы можно было менять направление вращения маховика машины.
Паровая машина двойного действия примерно вдвое мощнее обычной паровой машины, и кроме того, может работать с намного более лёгким маховиком. Это уменьшает вес и стоимость машин.
Большинство возвратно-поступательных паровых машин использует именно этот принцип работы, что хорошо видно на примере паровозов. Когда такая машина имеет два или более цилиндров, кривошипы устанавливаются со сдвигом в 90 градусов для того, чтобы гарантировать возможность запуска машины при любом положении поршней в цилиндрах. Некоторые колёсные пароходы имели одноцилиндровую паровую машину двойного действия, и на них приходилось следить, чтобы колесо не останавливалось в мёртвой точке, то есть в таком положении, при котором запуск машины невозможен.
В 1832 году впервые в России на заводе была построена паровая машина с кривошипно-шатунным механизмом для военного парохода «Геркулес» (Строитель парохода — английский кораблестроитель на русской службе В. Ф. Стокке.). Это была первая в мире удачная для пароходов паровая машина без балансира в 240 сил[5]. Англичане дваж
www.gpedia.com
, где Wout — механическая работа, Дж; Qin — затраченное количество теплоты, Дж.
, где Wout — механическая работа, Дж; Qin — затраченное количество теплоты, Дж.
