Так сложилось, что даже люди с техническим образованием мало что знают об этом устройстве. Сегодня мы и восполним этот пробел, вспомним, как устроен паровой двигатель, его принцип действия. Его преимущества, недостатки и применении в современных условиях. И немного о истории изобретения.
Паровая машина кардинально изменила картину мира, произвела революцию в промышленности, на транспорте, дала импульс для новых открытий. Она служила универсальным двигателем на протяжении XIX века, и даже с появлением механизмов, требующих высоких скоростей, не канула в лету. Вместо тихоходной паровой машины ученые разработали быстроходную турбину с одним из самых высоких к.п.д.
Упоминание о первых паровых машинах датировано первым столетием нашей эры. Устройство, описано Героном Александрийским ‒ пар выходил из сопл, закреплённых на шаре, и приводил в движение двигатель.
Правда, настоящая паровая турбина появилась в Египте в 16 веке. Ее изобрел араб Таги-аль-Диноме.
Подобную машину построил 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка. То есть, как только в обществе наступило экономическое благополучие и возникла необходимость в данном механизме, его тот час же изобрели.
В конце 17 века были созданы ещё две модели: в Испании двигатель сконструировал Аянс де Бомонт, а в Англии Эдвард Сомерсет в 1663 году установил паровую установку для закачки воды в Большую башню замка Реглан. Но все проекты быстро сворачивались и забывались. Тогда, как впрочем, и сейчас все новое не воспринималось большинством, и деньги на разработку никто давать не решался.
Паровой котёл создал француз Дени Папен. Он же изобрёл и предохранительный клапан для стравливания избыточного давления. Дело в том, что высокое давление, создаваемое паром, приводило к частым взрывам.
Кстати, в то же время появилось и расхожее выражение: «выпустить пар», которое означало ‒ успокоить нервы, пошумев на окружающих, без сноса собственного котелка и без жертв среди мирного населения.
Но на этом история паровых двигателей не прервалась. Англичанин Томас Ньюкомен в 1712 году сделал шахтный насос для подачи воды на верх. Двигатель Ньюкомена стал пользоваться спросом, с его массового выпуска началась английская промышленная революция.
В России первую паровую машину в 1763 году спроектировал И.И.Ползунов. С ее помощью приводились в действие воздуходувные меха на заводах.
А француз Николас-Йозеф Куньо шесть лет спустя сконструировал первую паровую телегу. Она приводила в движение сельскохозяйственные механизмы.
А в 1788 году Джон Фитч построил пароход, который вмещал 30 человек, и шел со скоростью до 12 километров в час.
В 1804 году на металлургическом заводе в Южном Уэльсе был испытан первый железнодорожный паровой поезд, его построил Ричард Тревитик.
Для работы паровой машины потребуется паровой котёл. Поступающий из него пар, расширяется и воздействует на поршень или же на лопатки паротурбины, затем их движение передаётся на другие механические части устройства.
Как устроен паровой двигатель показано на иллюстрации
Движение поршня через шток, ползун, шатун и кривошип передаётся на главный вал, который несет маховик, необходимый для снижения неравномерности вращения.
Эксцентрик, находящийся на главном валу, через эксцентриковую тягу воздействует на золотник, который управляет впуском пара в цилиндре. Пар из цилиндра выбрасывается в атмосферу или направляется в конденсатор.
Чтобы поддерживать постоянное число оборотов вала, при изменении нагрузки, на паровых машинах устанавливают центробежный регулятор, он автоматически изменяет сечение прохода пара, направляемого в паровую машину (при дроссельном регулировании) или момент отсечки наполнения (при количественном регулировании).
Поршень создает в цилиндре парового двигателя одну (две) полости переменного объёма, в них и происходят процессы сжатия и расширения.
Основное преимущество паровой машины, как двигателя внешнего сгорания, отделение котла от самой машины. Это дает возможность использовать что угодно в качестве топлива хоть хворост, хоть урановое топливо, что выгодно отличает ее от двигателя внутреннего сгорания ‒ там для каждого типа требуется определённый вид горючего.
Заметнее всего это преимущество в случае с ядерным реактором, который не может производить механическую энергию, а вырабатывает лишь тепло, которое используют для получения пара, вращающего паровые турбины.
В двигателях внешнего сгорания можно использовать и другие источники тепла, например, энергию солнца или энергию разности температур океана на разной глубине.
Интересный факт, паровой локомотив хорошо работает на больших высотах, при чем эффективность двигателя не падает, а, наоборот, растет благодаря низкому атмосферному давлению.
Паровозы и сегодня используют в горной местности Латинской Америки и Китая, при том, что в равнинных районах они давно заменены на более современные типы локомотивов.
Даже в Швейцарии и в Австрии в ходу усовершенствованные тепловозы, работающие на сухом паре. Их разработали на основе модели SLM производства 1930 года. В конструкцию внесли ряд изменений: использовали роликовые подшипники, современную теплоизоляцию, новые виды топлива, специальные паропроводы и ряд других новшеств.
Благодаря этому потребление топлива уменьшилось на 60 процентов, а вес стал ниже, чем у дизельных и электрических аналогов, что актуально для железных дорог, проходящих в горной местности.
Среди других положительных качеств парового двигателя:
К недостаткам можно отнести:
Сегодня паровые машины нашли широкое применение в виде паровых турбин, которые работают как приводы электрогенераторов.
Паровая турбина состоит из вращающихся дисков, которые закреплены на одной оси. Этот узел называется ротором. Также есть статор ‒ его неподвижные диски чередуются с дисками ротора. На дисках ротора размещены лопатки, при попадании на них пара, механизм приходит в движение.
Аналогичные лопатки, только расположенные под противоположным углом, есть и на дисках статора. Они служат для перенаправления струи пара на следующий диск ротора.
Турбина преобразует энергию пара во вращательное движение без каких-либо дополнительных механизмов. То есть преобразование возвратно-поступательного хода во вращательное движение делать не нужно.
Также у турбин меньшие размеры нежели у возвратно-поступательных машин, и они отличаются постоянным усилием на выходном валу. Ещё один плюс ‒ простая конструкция, а значит придётся меньше тратить средств на эксплуатацию.
Сфера использования паровых турбин ‒ производство электроэнергии. Более 85 процентов электрической энергии вырабатывают именно паровые турбины. Также их используют как судовые двигатели, в частности на подводных лодках и атомоходах.
Теперь вы знаете, как устроен паровой двигатель, что паровая машина, изобретённая ещё в первом столетии нашей эры, вовсе не анахронизм, а современное высокотехнологичное устройство, благодаря которому жизнь многих людей стала комфортнее.
Перспективы применения паровых машин на автомобилях имеют пока туманные очертания, но творческая мысль изобретателя не имеет границ и я с полной уверенностью могу предположить, что скоро появятся двигатели с элементами парового носителя
Подписывайтесь на наш блог, чтобы узнать много нового и интересного. Поделитесь этой информацией с друзьями в социальных сетях ‒ пусть они повысят свой технический уровень, ну и вам будет приятно иметь умных друзей.
auto-ru.ru
Все мировые концерны готовятся начать массовое производство электромобилей, которые должны заменить вонючие авто с двигателями внутреннего сгорания. Но кроме электро и бензо двигателя, человечество знает паровые двигатели и знает их уже несколько веков. Об этих незаслуженно забытых помощниках человека мы сегодня и поговорим.
19 век? А может в 18 веке был создан первый паровой двигатель? Не гадай, не угадаешь. В первом века до нашей эры, т.е. более 2 тысяч лет назад греческим инженером Героном Александрийским был создан первый в истории человечества паровой двигатель.
Двигатель представлял собой шар, который вращался вокруг своей оси под действием выходящего из него пара. Правда, древние греки с трудом понимали суть процесса, поэтому развитие этой технологии замерло на почти на 1500 лет…
Фердинанд Вербст, член иезуитской общины в Китае, построил первый автомобиль на паровом ходу около 1672 года как игрушку для китайского императора. Автомобиль был небольшого размера и не мог везти водителя или пассажира, но, возможно, он был первым работающим паровым транспортом («автомобиль»). Но это был первый паромобиль в истории человечества, пускай и игрушечный.
Известные ученые также рассматривали идею «оседлать» силу пара и создать самодвижущийся экипаж. Одним из известных таких проектов был проект экипажа Исаака Ньютона. Экипаж представлял из себя телегу, оснащённую паровым котлом с соплом, через которое с помощью клапана машинист мог стравливать пар, тем самым разгоняя телегу. Но великий ученый так и не реализовал свой проект, паромобиль Ньютона остался на бумаге.
Первым устройством, примененным на практике, стал двигатель Ньюкмена. Британец Томас Ньюкмен сконструировал паровой двигатель, который был похож на современные двигатели. Цилиндр и поршень, который двигался в нем под воздействием парового давления. Пар вырабатывался в котле огромного размера, что и не позволило использовать данную машину иным образом, как машину для откачивания грунтовых вод.
Шотландец Джеймс Уатт взялся усовершенствовать машину Ньюксмена. Он заметил, что для сокращения потребления угля необходимо постоянно поддерживать в цилиндре высокую температуру, а также приладил к машине конденсатор, где собирался отработанный пар, который впоследствии превращался в воду и при помощи помпы вновь направлялся в котел. Все это позволило бы поставить двигатель на раму и создать первый паромобиль, но Уатт считал опасным такой вид транспорта и не стал заниматься дальнейшей разработкой. Более того, конструктор получил патент на свою машину, что стало препятствием для других конструкторов в работе над первым паромобилем.
Создателем первого самодвижущегося транспортного средства стал француз Николя-Жозеф Кюньо. В 1769 году изобретатель создал трехколесную повозку – «малую телегу Кюньо», которую также называли «Фардье». По задумке автора, это странное транспортное средство должно было использоваться для перевозки пушек. Еще не автомобиль, но уже самоходная телега.
Только телега Кюньо обладала массой недостатков. Вес двигателя составлял около тонны, поэтому телегой с трудом управляли два человека. Еще одним недостатком малой телеги Кюньо оказался низкий запас хода - всего один километр. Дозаправка в виде воды в котле, разведение костра на дороге, куда переносился котел, были слишком долгой и сложной процедурой. Скорость тоже желала быть лучше, всего-навсего 4 км/час.
Но у телеги были и достоинства. Грузоподъёмность составила две тонны, что крайне понравилось генералам французского штаба, которые выделили Кюнью 20 тысяч франков для дальнейшей работы над телегой.
Полученные средства конструктор применил с пользой и вторая версия телеги уже передвигалась со скоростью до 5-7 километров в час, а установленная под котлом топка позволила поддерживать температуру на ходу, а не останавливаться каждый 15 минут для разжигания костра.
Этот зародыш будущего автомобиля совершил первое в истории ДТП. У телеги заклинило колесо и она протаранила стену дома.
Несмотря на успехи Кюньо, работы были приостановлены по банальной причине: закончились деньги. Но на радость нам телега французского конструктора сохранилась до сих пор и мы можем увидеть ее воочию.
Изобретатели находились в состоянии постоянного поиска. Если Кюньо двигался по пути создания автомобиля, то американец Сильвестр Говард Роупер взялся создавать будущий мотоцикл. Правильнее было бы сказать паровой велосипед.
Роупер разместил паровой двигатель под сиденьем, выход пара осуществлялся прямо за седлом. Управление скоростью осуществлялось при помощи ручки на руле. Поворачивая ее от себя, водитель увеличивал скорость, поворачивая в обратном направлении, осуществлялось торможение.
Поездки Роупера на первом байке вызывали шок и возмущение окружающих, ну совсем как мы сейчас возмущаемся шумными мотоциклам. На Роупера даже пожаловались в полицию. Изобретателя спасло от тюрьмы и штрафа лишь отсутствие закона, который бы запрещал ездить на правом велосипеде.
И совсем, как современные байкеры, Роупер, гоняя на своем паровом байке, разбился.
Oruktor Amphibolos, первая машина-амфибия была разработана в 1804 году американским изобретателем Оливером Эвансом. На корпусе в форме лодки были установлены 4 колеса и гребное колесо на корме. Это была машина-гигант: девять метров длина и вес в 15 тонн.
Недостатком всех первых паровых машин было малая грузоподъемность и низкая скорость. Лошадиные повозки (омнибусы) были быстрее самой быстрой паровой машины. Инженеры вступили в борьбу с лошадиными силами.
Первую машину на восемь человек сконструировал Ричард Тревитик. Но машина Ричарда не заинтересовала инвесторов. Через тридцать лет Вальтер Хэнкок принял эстафету и создал первый паровой омнибус, получивший название Enterprise. Тонна воды, двухцилиндровый двигатель, скорость 32 километра в час и запас хода до 32 километров. Это даже позволило использовать Enterpriseкак коммерческий транспорт. И это уже был успех изобретателей - по улицам поехал первый автобус.
Первая паровая машина, которая была похожа не на тележку с кастрюлей, а на обычный автомобиль, была сконструирована братьями Абнером и Джоном Доблов. Машина Доблов имела уже многие знакомые нам узлы, но об позже.
Еще будучи студентов Абнер приступил в 1910 году к разработке паровых машин в собственной мастерской. Что удалось братьям, так это снизить объем воды. Как ты помнишь, в Enterprise использовалось тонна воды. Модель Доблов на 90 литрах имела запас хода до полутора тысяч километров. Свои машины братья-изобретатели оснастили автоматической системой зажигания. Это сегодня мы поворотом ключа высекаем искру в двигателе. Система зажигания Доблов впрыскивала керосин в карбюратор, где он воспламенялся и подавался в камеру под бойлером. Необходимое давление водяного пара создавалось за рекордные по тем временам 90 секунд. 1,5 минуты и можно трогаться. Ты скажешь долго, но паровые машины других конструкторов трогались через 10 и даже 30 минут.
Выставленный образец машины Долбов на выставке в Нью-Йорке вызвал фурор. Только в течение выставки братья собрали заказов на 5500 автомобилей. Но тут началась Первая мировая война , вызывавшая кризис и нехватку металла в стране, и о производстве пришлось на время забыть.
После войны Доблы представили на мнение публики новую усовершенствованную модель парового автомобиля. Необходимое давление в бойлере достигалось через 23 секунды, скорость 160 километров в час, а за 10 секунд автомобиль разгонялся до 120 километров в час. Единственным, наверное, недостатком автомобиля была его цена. Нереальные для тех времен 18 тысяч долларов. Величайший паромобиль в истории человечества был выпущен в количестве всего 50 экземпляров.
Опять братья-изобретатели, на это раз братья Стенли, взялись за создание болида на кипящей воде. Их гоночная машина была готова к заезду в 1906 году. На флоридском пляже машина разогналась до 205,4 километра в час. На тот момент это был абсолютный рекорд, даже для авто с бензиновым двигателем. Вот вам и кастрюля на колесах.
Братьев только остановила травма одного из них, полученная в результате аварии на пароболиде. Рекорд скорости машины братьев Стенли был непревзойденным более века.
Следующий рекорд скорости был установлен 26 августа 2009 года на автомобиле Inspiration. Болид, больше похожий на истребитель, приводился в движение двумя турбинами, которые вращались благодаря пару, подаваемому под давлением в 40 бар из двенадцати высокоэффективных бойлеров. Под капотом этого аппарата спрятано 360 лошадиных сил, что позволяло разгоняться до 225 километров час.
Паровые автомобили, конечно, не могли пройти мимо России. Первой работающей на угле и воде отечественной моделью в 1830 году мог бы стать «Быстрокат» Казимира Янкевича. По расчетам конструктора эта паромашина могла разгоняться до скорости 32 километров в час. Но машина так и осталась на бумаге.
Первую паромашину создал талантливый русский крестьянин Федор Блинов. В 1879 году он получил патент «на особого устройства вагон с бесконечными рельсами для перевозки грузов по шоссейным и проселочным дорогам». Позже этот вагон превратилсь в гусеничный паровой трактор, который Блинов научил еще и поворачивать из-за разницы в крутящем моменте на каждой из гусениц. Но детище изобретателя не оценили, лишь выдали небольшую премию.
Первый российские паромобили стали выпускать на московском заводу «Дукс». Те кто, коллекционирует ретро-модели знает эту изящную машину «Локомобиль».
«Автомобили совершенно не шумят, чего до сих пор нельзя сказать про бензиновые. Даже электромобили, приводимые в движение электричеством, этой силой будущего, шумят (скорее, жужжат) более, чем паромобили «Дукс». Весь его механизм настолько прост и компактен, что помещается под сиденьем и не требует для своего размещения никаких выступающих частей, как, например, нос у бензомобилей, не имеет перемены передач, электрических батарей, магнето, легко ломающихся свечей, одним словом, всего того, что бывает причиной большинства поломок и хлопот у бензиновых автомобилей», – писал в начале прошлого века журнал «Автомобиль».
Быстро развивающиеся двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине, поставили точку в развитии паромобилей. Изобретатели пытались возродить эту технологию, но их идеи не находили поддержки.
Интересные материалы:
Десять интересных фактов о сверхзвуковом Ту-144 (10 фото + 1 видео) Пассажиры снова начнут летать быстрее звука (3 фото + 3 видео)nlo-mir.ru
Кто создал первый паровой двигатель
В 1705 году англичанин Томас Ньюкомен изобрел паровой двигатель. Он использовался для откачки воды из угольных шахт. Однако двигатель потреблял очень много топлива.
В XVIII веке Джеймс Ватт сделал усовершенствованный двигатель. Он придумал клапаны, работающие так, что никому не надо было стоять рядом и управлять ими. Клапаны автоматически заставляли поршни подниматься и опускаться.
В 1803 году Роберт Фултон использовал паровой двигатель Ватта в качестве движителя для парохода. В 1820 году Георг Стефенсон построил паровой двигатель в Англии.
Паровой двигатель был очень тяжелый, так как сгорание топлива происходило в топке, расположенной отдельно от парового котла.
А теперь ответьте на мой вопрос: Тяжело тот же вопрос набрать в гугле, прочитать то же самое, зато не парить мозг людям????
В 1705 году англичанин Томас Ньюкомен изобрел паровой двигатель. Он использовался для откачки воды из угольных шахт. Однако двигатель потреблял очень много топлива. Первый в мире паровой двигатель изобрел в 1689 году Томас Сэйвери. Он представлял собой разновидность насоса, с помощью которого шахтеры откачивали воду из шахты. В этом насосе пар конденсировался и в результате переходил в небольшое количество воды. Этот процесс приводил к тому, что в системе образовывался частичный вакуум, что, в свою очередь, приводило к отсасыванию воды из шахты. В XVIII веке Джеймс Ватт сделал усовершенствованный двигатель. Он придумал клапаны, работающие так, что никому не надо было стоять рядом и управлять ими. Клапаны автоматически заставляли поршни подниматься и опускаться.
В 1803 году Роберт Фултон использовал паровой двигатель Ватта в качестве движителя для парохода. В 1820 году Георг Стефенсон построил паровой двигатель в Англии.
Паровой двигатель был очень тяжелый, так как сгорание топлива происходило в топке, расположенной отдельно от парового котла.
www.domino22.ru
Эолипил Герона.
К великому сожалению, многие удивительные изобретения древних греков на долгие столетия были прочно забыты. Лишь к XVII столетию относится описание чего-то, похожего на паровую машину. Француз Соломон де Ко (Salomon de Caus), бывший одно время строителем и инженером у Фридриха V Пфальцского, в своем сочинении от 1615 года описал полый железный шар с двумя трубками: принимающей и выводящей жидкость. Если наполнить шар водой и подогреть, то по второй трубке вода начнет подниматься наверх, повинуясь воздействию паров. В 1663 году уже англичанин Эдвард Сомерсет (Edward Somerset), маркиз Уорчестерский, написал брошюру, в которой рассказал о машине, могущей поднимать воду наверх. Тогда же Сомерсет получил патент ("привилегию") на описанную машину. Как видим, все мысли изобретателей Нового времени вращались вокруг выкачивания воды из шахт и копей, что, надо отметить, проистекало из насущной задачи. Поэтому неудивительно, что следующие три изобретателя, о которых пойдет речь ниже, также были в первую очередь озабочены созданием паровой машины для откачки воды. Ближе к самому завершению XVII века два человека в Европе результативнее других работали над укрощением пара - Дени Папен (Denis Papin) и Томас Сэйвери (Thomas Savery).
"Огненная" машина Сэйвери.
Англичанин Сэйвери 2 июля 1698 года получил патент на машину для откачки воды из шахт. В патенте говорилось: "Жалуется привилегия Томасу Сэйвери за проведенное им одним испытания нового изобретения для подъема воды, вращения любых видов мельниц путем сил огня, что будет очень важно для осушения шахт, снабжения городов водой и вращения всех видов мельниц". Опытный образец под названием "Огненный мотор" (Fire engine) в 1699 году был выставлен напоказ в Королевском Научном обществе в Лондоне. Машина Сэйвери функционировала таким образом: герметичный резервуар наполнялся паром, а после внешнюю поверхность резервуара охлаждали холодной водой, из-за чего пар конденсировался, создавая в резервуаре частичный вакуум. Затем вода со дна со дна шахты через заборную трубу засасывалась в резервуар и, после впуска новой порции пара, выталкивалась наружу через выпускную трубу. Стоит отметить, что изобретение Сэйвери походило на машину Сомерсета, и многие полагают, что Сэйвери напрямую отталкивался от последней. К сожалению, у "огненной" машины Сэйвери нашлись недостатки. Самый главный из них - невозможность поднимать воду с глубины более 15 метров, хотя в то время уже существовали шахты, чья глубина превышала 100 метров. Кроме того, машина потребляла очень много топлива, что не было оправдано даже близостью большого количества угля на шахте. Француз Дени Папен, медик по образованию, в 1675 году переехал в Лондон. Папен сделал несколько открытий, которые навечно вписали его имя в историю. Для начала Папен изобретает скороварку - "Папенов котел". Бывший медик смог установить зависимость между давлением и температурой кипения воды. Герметичный котел с предохранительным клапаном благодаря повышенному давлению внутри доводил воду до кипения гораздо позже, поэтому температура обработки продуктов повышалась и последние готовились в разы быстрее. В 1674 году Папен создал пороховой двигатель: в цилиндре воспламенялся порох, отчего поршень внутри цилиндра перемещался. Одна "партия" газов выпускалась из цилиндра через специальный клапан, а другая - охлаждалась. В цилиндре образовывался вакуум (пусть и слабенький), и атмосферное давление опускало поршень вниз.
Поршневая паровая машина Папена.
В 1698 году Папен изобретает паровую машину с применением воды, которая нагревалась внутри вертикального цилиндра - образовавшийся пар двигал поршень вверх. Затем цилиндр охлаждали водой, пар конденсировался и возникал вакуум. Все то же атмосферное давление заставляло поршень опускаться. Несмотря на прогрессивность своей машины (наличие поршня), Папен не смог извлечь из нее каких-либо значимых дивидендов, поскольку Сэйвери запатентовал паровой насос, а других способов применения для паровых машин на тот момент не наблюдалось (хотя в патенте Сэйвери и указывалась возможность "вращения мельниц"). В 1714 году, в столице Британской империи, Папен скончался в нужде и одиночестве. Гораздо более удачливым оказался другой англичанин - Томас Ньюкомен (Thomas Newcomen), родившийся в 1663 году. Ньюкомен внимательно ознакомился с работами и Сэйвери, и Папена, отчего смог понять слабые места прежних машин, одновременно взяв от них самое лучшее. В 1712 году вместе со стекольщиком и водопроводчиком Джоном Калли (John Calley) он строит свою первую паровую машину. В ней использовался вертикальный цилиндр с поршнем, как у машины Папена. Однако пар образовывался в отдельном паровом котле, что было схоже с принципом действия "огненной" машины Сэйвери. Герметичность внутри парового цилиндра была повышена за счет кожи, которая закреплялась вокруг поршня.
Паровая машина Ньюкомена.
Машина Ньюкомена тоже являлась пароатмосферной, т.е. подъем воды из шахты осуществлялся при воздействии атмосферного давления. Она была довольно громоздкой и "поедала" много угля. Тем не менее, практической пользы машина Ньюкомена приносила несравненно больше, отчего ее почти полстолетия применяли в шахтах. В Англии, например, она позволила вновь открыть заброшенные шахты, которые затопило грунтовыми водами. И еще один яркий пример эффективности машины Ньюкомена - в 1722 году в Кронштадте в сухом доке воду из корабля откачали в течение двух недель, в то время как с устаревшей системой откачки с помощью ветряных мельниц на это ушел бы год. Несмотря на все это, Томас Ньюкомен не получил патент на свою паровую машину из-за патента Сэйвери. Возможность применения паровой машины Ньюкомена с целью приведения в движение транспортного средства конструкторами рассматривалась, в частности, для привода гребного колеса на судне. Однако попытки успехом не увенчались. Изобрести компактную, но мощную паровую машину довелось Джеймсу Уатту (James Watt). В 1763 году Уатту, механику университета Глазго, дали задание починить паровую машину Ньюкомена. В процессе ремонта Уатт приходит к следующей идее - цилиндр паровой машины нужно держать постоянно нагретым, что резко сократит расход топлива. Оставалось лишь понять, как в таком случае конденсировать пар.
Модель паровой машины Уатта.
Осенило Уатта, когда он совершал вечерний моцион возле прачечных. При виде облаков пара, стремящихся выбраться из-под крышек котлов, изобретатель вдруг осознал, что пар является газом, и он должен перемещаться в цилиндр с пониженным давлением. Уатт решительно берется за дело. Он применяет водяной насос и металлические трубки, из которых насос станет откачивать воду и пар, создавая в последних пониженное давление, а оно, из трубок, начнет передаваться в рабочий цилиндр паровой машины. Для рабочего хода Уатт применяет давление пара, отказываясь тем самым от атмосферного давления, что стало большим шагом вперед. Для этой цели, чтобы пар не проходил между цилиндром и поршнем, пеньковой веревкой, пропитанной маслом, обматывали поршень вдоль специальных бороздок. Такой способ позволял добиться достаточно высокой герметичности внутри парового цилиндра. В 1769 году Уатт получил патент на "создание парового двигателя, в котором температура двигателя всегда будет равна температуре пара, несмотря на то, что пар будет охлаждаться до температуры ниже ста градусов". В 1772 году Джеймс Уатт свел знакомство с промышленником Мэтью Болтоном (Mathew Bolton). Этот богатый господин выкупил и возвратил Уатту все его патенты, которые незадачливый изобретатель вынужден был заложить за долги. При поддержке Болтона работа Уатта ускорилась. Уже в 1773-м Уатт испытывает свою паровую машину; она выполняла все ту же функцию парового насоса, но угля требовала гораздо меньше. Видя очевидные преимущества машины Уатта, Болтон открывает совместную с изобретателем компанию по производству паровых машин, и в 1774 году в Англии начинается их выпуск. Реализация паровых машин шла настолько хорошо, что Болтон захотел построить новый прокатный цех, для чего попросил Уатта создать специальную паровую машину - для привода прокатных станков. Уатт блестяще справился с задачей, и в 1781 году запатентовал паровую машину "для осуществления движения вокруг оси с целью приведения в действие других машин". Таким образом, на свет появилась первая паровая машина не для поднятия воды со дна шахт, а для приведения в движение машин. Новая машина Уатта обладала рядом усовершенствований. Например, регулятором для равномерного вращения главного вала паровой машины, а также планетарным механизмом для создания кругового движения. Последний Уатт изобретает потому, что применить кривошипно-шатунный механизм ему не позволяет действующий патент. Но в 1784 году Уатту все же удалось добиться разрешения на использование в паровой машине кривошипно-шатунного механизма. Таким образом, созданная Уаттом первая в мире универсальная паровая машина стала приводить в движение промышленные станки, возвещая о приходе эры паровых машин. Очень скоро пар станет двигать пароходы и поезда, благодаря чему жизнь человека в корне изменится. Огромные заслуги Джеймса Уатта не прошли незамеченными для потомков - в 1819 году приказом английского парламента в Вестминстерском аббатстве великому изобретателю поставили мраморный памятник.
Первый пароход.
Считается, что первый пароход построил американец Роберт Фултон (Robert Fulton) в 1807 году - его корабль с гребным колесом назывался "Клермонт". Поначалу Фултон пытался с помощью пара приводить в движение весла, но затем обратился к более удачной идее колеса. Первое плавание на "Клермонте" Фултон совершил один, поскольку жители окрестностей наотрез отказались сесть в "дьявольски" дымящую посудину. Зато на обратном пути к Фултону все-таки подсел один смелый человек, за что и получил от изобретателя право на пожизненный бесплатный проезд на "Клермонте". Затем рейсы судна Фултона стали обыденностью - "Клермонт" перевозил людей по реке Гудзон от Нью-Йорка до Олбани, развивая скоростью около 5 узлов (9 км/ч). Первый винтовой пароход построил в 1838 году англичанин Френсис Смит (Francis Smith). Использование гребных винтов вместо гребных колес позволило значительно улучшить ходовые качества пароходов. На пароходах постепенно исчезают вспомогательные паруса (вспомним, что в 1819 году американский пароход "Саванна" пересек Атлантический океан по большей части с помощью парусов), а к началу ХХ века в историю уходят и сами парусные корабли.
Первый паровоз.
Первый паровоз построил британец Ричард Тревитик (Richard Trevithick). Это была повозка с паровым двигателем, двигающаяся по рельсам со скоростью 7 км/ч и перевозившая состав весом 7 тонн. В 1804 году для испытания паровоза Тревитика в Лондоне построили небольшую рельсовую дорогу. В наше время и пароходы, и паровозы уже давно стали исторической диковинкой, которую, правда, можно встретить в самых разных странах. Так, в Норвегии на озере Мьёс до сих пор функционирует самый старый колесный пароход в мире - "Скибладнер", построенный еще в 1856 году. В свою очередь, паровозы активно эксплуатируются в странах третьего мира, а это значит, что пар по-прежнему верой и правдой служит человечеству.
"Паровая телега" Кюньо.
Отдельная веха в истории пара - паровые автомобили. Первую действовавшую паровую автомашину ("паровую телегу") построил француз Никола-Жозеф Кюньо (Cugot) в 1769 году. Это была очень тяжелая, весившая более тонны повозка, с управлением которой едва могли справиться два человека. Эстетически машина выглядела не слишком красиво - котел, словно горшок на ухвате, размещался впереди транспорта. "Телега" Кюньо развивала скорость около 2-4 км/ч и могла перевозить до 3 тонн груза. Эксплуатировать ее было сложно - для поддержки давления пара, которое быстро падало, приходилось каждые четверть часа останавливаться и зажигать топку. В конце концов, в очередной испытательной поездке Кюньо и кочегар (между прочим, кочегар по-французски звучит как "шоффер", откуда и произошло затем слово "шофер") потерпели аварию на крутом повороте, отчего котел взорвался, наведя шуму на весь Париж. Кюньо построил новую "телегу", но в массы она не пошла. В 1794 году ее сдали в музей. Значительный вклад в развитие паровых автомашин внес еще один француз - Леон Эммануэль Серполле (Leon Serpollet). В 1875 году он создал небольшую, но мощную автомашину на пару. Леон решил, что воде лучше нагреваться не в котле, а в разогретых трубках, где она превращается в пар очень быстро. Первой работающей машиной Серполле стал двухместный трехколесный экипаж из дерева. Поначалу полиция запрещала французу ездить даже по ночам, но в 1888 году все же сдалась и выдала официальную бумагу с разрешением на поездки. На этом Серполле не остановился. Вместо угля он начинает использовать жидкое топливо, которое подавалось на две горелки. В 1900 году он открывает фирму совместно с американцем Фрэнком Гарднером (Frank Gardner) - Gardner- Serpollet.
Гоночный паровой автомобиль Серполле.
В 1902 году Серполле создал гоночный паровой автомобиль и установил на нем в Ницце мировой рекорд скорости на суше - 120,77 км/ч. Неудивительно, что на тот момент паровые автомобили вполне удачно конкурировали с бензиновыми и электрическими собратьями. Особенно процветали первые в США, где, например, в 1900 году выпустили 1690 паровых, 1585 электрических и всего 936 бензиновых автомобилей. Паровые авто использовались в США вплоть до 30-х годов ХХ века. В первой половине XIX века также строились паровые тракторы, в частности, с гусеничным ходом. Однако коэффициент полезного действия паровых двигателей равнялся лишь 5%. По этой причине в начале ХХ века паровые двигатели на автомашинах были заменены двигателями внутреннего сгорания. С их помощью автомобили стали более экономичными, легкими и скоростными. Нельзя не упомянуть и о других, менее удачных применениях пара в конце ХIХ - начале ХХ веков. Широкое распространение пароходов, паровозов и паровых автомашин подтолкнуло изобретателей к мысли, что пар можно использовать в авиации и в армии.
Паровой аэроплан Хенсона.
Увы, пар в этих областях пригодится не смог. Хотя уже к середине ХIХ века насчитывалось несколько попыток создания аэропланов с паровым двигателем. Англичанин Уильям Хенсон (William Henson) построил аппарат "Эриел Стим Кэрридж", обладавший паровым двигателем мощностью 25-30 л.с., который приводил в действие воздушные винты диаметром 3,05 м. Чтобы уменьшить вес машины, обычный котел был заменен системой сосудов конической формы с использованием воздушного конденсатора. В 1844-1847 годах Хенсон безуспешно испытывал свои аэропланы. Все они закончились неудачно. Но уже в 1848 году Джон Стрингфеллоу (John Stringfellow) все-таки построил аэроплан, который оторвался от земли, хотя и не надолго. Апофеозом "паромании" в авиастроении стал аэроплан Хайрема Стивенса Максима (Hayrem Stivens Maxim), который обладал паровой машиной мощностью в 360 л.с., а размерами мог сравниться с двухэтажным домом. Неудивительно, что аэроплан Максима рухнул в одночасье, как и все мечты человека покорить воздух с помощью пара. Хотя, отметим, что в 1896 году американец Сэмюэл Пирпонт Ленгли (Samuel Pierpont Langley) все-таки построил аэроплан с паровым двигателем, который без пилота пролетел примерно километр, пока не израсходовал топливо. Свое творение Ленгли назвал "аэродромом" (в переводе с древнегреческого - "бегущий в воздухе"). Однако к началу ХХ века всем было понятно, что громоздкие паровые двигатели не годятся для воздухоплавания, тем более, что к этому времени на аэропланах отлично себя зарекомендовали бензиновые двигатели - 17 декабря 1903 года в небе появился знаменитый самолет братьев Райт, снабженный бензиновым двигателем. Не лучше обстояли дела с паром в армии. А ведь еще сам Леонардо да Винчи (Leonardo da Vinci) описал пушку, выстреливающую снарядами силой только огня и воды. Великий флорентиец предположил, что длинный медный ствол с ядром, положенный в печь одним концом, сможет выбросить снаряд, если в отсек за ядром впрыснуть немного воды, когда труба сильно разогреется. Леонардо полагал, что вода при такой высокой температуре испарится очень быстро и, став аналогом пороха, вытолкнет ядро на огромной скорости. Стоит отметить, что идея паровой пушки приписывается Архимеду. В рукописях древних упоминается о том, что во время осады Сиракуз в 212 году до нашей эры римские корабли обстреляли из пушек. Но ведь пороха тогда в Европе не было! И Леонардо да Винчи предположил наличие у Архимеда, чьи устройства обороняли Сиракузы, паровых пушек.
Паровая пушка (реконструкция).
Проверить эту идею да Винчи решил греческий инженер Иоанис Саккас (Ionis Sakkas). Он построил деревянную пушку, к тыльной части которой закреплялся котел, нагреваемый до 400°С. Как и предлагал Леонардо да Винчи, в специальный клапан подавалась вода, которая, испаряясь мгновенно, врывалась паром в дуло, отчего бетонное ядро в опытах Саккаса улетало на расстояние 30-40 м. Проверить "быль" о пушках Архимеда брались также студенты университета MIT и участники телесериала "Разрушители легенд", правда, без успеха, подобного достижению Саккаса. В XIX веке к пару вновь вернулись, но создать реально боеспособное оружие (пушку либо пулемет) не удалось. В 1826-1829 годах российский инженер-полковник корпуса путей сообщения А. Карелин изготовил медную 7-линейную (17,5 мм) опытную паровую пушку. Стрельба велась шаровыми пулями при помощи водяного пара, скорострельность достигала 50 выстрелов в минуту. Но испытания, проведенные в 1829-м, не впечатлили "приемную комиссию", которая сочла пушку излишне сложной для использования в полевых условиях.
Модель паровой пушки Карелина.
В завершение данной статьи нельзя не упомянуть о стимпанке (англ. "steampunk", от "steam" - "пар" и "punk" - "протест"). Это направление научной фантастики описывает эпоху пара времен Викторианской Англии (вторая половина XIX века) и раннего капитализма (начало ХХ века). Соответственно описываются городские пейзажи, персонажи, общественные настроения и т.д. Сам термин появился в 1987 году. Популярность жанр стимпанк приобрел после появления романа "Разностная машина" Уильяма Гибсона и Брюса Стерлинга (1990). Предтечами стимпанка можно назвать Жюля Верна и Григория Адамова. В последние годы появилось много кинофильмов в стиле стимпанк, самые известные из них - "Дикий, Дикий Запад" (1999), "Машина времени" (2002), "Лига выдающихся джентльменов" (2003) и "Ван Хельсинг" (2004). К стимпанку хронологически примыкает дизельпанк - жанр, описывающий технологический мир 20-50-х годов XX века, весьма близкий, надо отметить, к техномиру начала ХХ века.Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.
3dnews.ru
Паровые двигатели были первыми двигателями массового применения. Они были изобретены в 1705 году Томасом Ньюкоменом. В 1769 году паровой двигатель был значительно модернизирован Джеймсом Ваттом, тем самым ученым, именем которого названа единица мощности. Паровые двигатели были источником движущей силы для первых локомотивов и паровых кораблей, а также применялись на многочисленных фабриках и заводов, что было одним из толчков промышленной революции.
Рассмотрим принцип действия парового двигателя на примере паровоза. Сердцем парового двигателя является топка (1). Именно она генерирует пар для его работы. Обычна топка представляет собой толстостенный чугунный цилиндр или прямоугольник с отверстиями для добавления топлива, а также отведения дыма и удаления золы. Классическим топливом для парового двигателя служит уголь, реже используются дрова.
Главная задача топки заключается в нагреве воды (2) в котле. Как известно, разогретая вода превращается в пар. При этом ее объем увеличивается. Так как паровой котел герметичен, то давление в нем растет. С помощью специальных клапанов (3) разогретый пар под большим давлением подается в расширительную камеру за цилиндром (4). Создаваемая поступательная энергия передается с помощью системы рычагов и шарниров (5) на ведущие колеса локомотива. В результате вращения колес, паровоз приводится в движение (6). С помощью клапанов, под действием возвратного движения поршня, из-за инерции вращения колес, пар выпускается через вертикальную трубу (7). После этого цикл повторяется, и пар снова впускается в расширительную камеру за цилиндром.
Паровой двигатель также широко применялся на пароходах, где он вращал гребные винты. Также существовали четырехколесные трактора приводимые силой пара. Кроме транспортных средств, паровой двигатель применялся на мельницах для вращения жерновов, на водокачках в водяных насосах, на мануфактурах в ткацких станках и многих других производствах.
Главным недостатком парового двигателя является его очень низкий КПД – до 10%. Это происходит из-за того, что большая часть энергии топлива улетает в трубу в буквальном смысле в виде тепла. Кроме того, паровые двигатели очень громоздкие и требуют частого трудоемкого обслуживания. Поэтому в начале ХХ века паровые двигатели были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, работающие на дизельном топливе и бензине.
Янв1
coolsci.ru
Идея парового двигателя была подсказана его изобретателям конструкцией поршневого водяного насоса, который был известен еще во времена античности. Впервые модель такой машины была предложена в 1690 году Папеным. В 1702 году создал свой насос Севери. Но наиболее широко применялась в первой половине XVIII века паровая машина Ньюкомена, созданная в 1711 году. В свете дальнейшего развития парового двигателя становится ясным основной недостаток машины Ньюкомена - рабочий цилиндр в ней являлся в то же время и конденсатором. Из-за этого приходилось поочередно то охлаждать, то нагревать цилиндр, и расход топлива оказывался очень велик. Последующие изобретатели внесли несколько усовершенствований в насос Ньюкомена. В частности, в 1718 году Бейтон придумал самодействующий распределительный механизм, который автоматически включал или отключал пар и впускал воду. Он же дополнил паровой котел предохранительным клапаном. Но принципиальная схема машины Ньюкомена оставалась неизменна на протяжении 50 лет, пока ее усовершенствованием не занялся механик университета в Глазго Джемс Уатт.
В 1763-1764 годах ему пришлось чинить принадлежавший университету образец машины Ньюкомена. Уатт изготовил небольшую ее модель и принялся изучать ее действие. При этом он мог использовать некоторые приборы, принадлежавшие университету, и пользовался советами профессоров. Все это позволило ему взглянуть на проблему шире, чем смотрели на нее многие механики до него, и он смог создать гораздо более совершенную паровую машину. Работая с моделью, Уатт обнаружил, что при запускании пара в охлажденный цилиндр он в значительном количестве конденсировался на его стенках. Уатту сразу стало ясно, что для более экономичной работы двигателя целесообразнее держать цилиндр постоянно нагретым. Несколько недель он раздумывал, как разрешить эту задачу, и наконец сообразил, что охлаждение пара должно происходить в отдельном цилиндре, соединенном с главным короткой трубкой. Вслед за тем Уатт внес еще несколько усовершенствований. В 1768 году на основе этой модели на шахте горнозаводчика Ребука была построена большая машина Уатта, на изобретение которой он получил в 1769 году свой первый патент. Самым принципиальным и важным в его изобретении было разделение парового цилиндра и конденсатора, благодаря чему не затрачивалась энергия на постоянный разогрев цилиндра. Машина стала более экономичной. Ее КПД увеличился. 
Несколько последующих лет Уатт упорно трудился над совершенствованием своего двигателя. Пришлось создавать специальные станки для расточки цилиндров. Наконец все трудности были преодолены, и с 1776 года началось фабричное производство паровых машин.
В машину 1776 года по сравнению с конструкцией 1765 года было внесено несколько принципиальных улучшений. Поршень помещался внутри цилиндра, окруженный паровым кожухом (рубашкой). Кожух сверху был закрыт, тогда как цилиндр - открыт. Пар поступал в цилиндр из котла по боковой трубе. Цилиндр соединялся с конденсатором трубой, снабженной паровыпускным клапаном. Несколько выше этого клапана и ближе к цилиндру был размещен, второй, уравновешивающий клапан. Впрочем, это не устраняло основного недостатка такого типа машин- они совершали только одно рабочее движение, работали рывками и потому могли использоваться только как насосы. В 1775-1785 годах было построено 66 таких паровых двигателей. 
Для того, чтобы паровой двигатель мог приводить в действие другие машины, необходимо было, чтобы он создавал равномерное круговое движение. Принципиальное отличие такой машины состояло в том, что поршень должен был совершать два рабочих движения- и вперед и назад. Такой двигатель двойного действия был разработан Уаттом в 1782 году. Пар здесь выпускался то с одной, то с другой стороны поршня, причем пространство на стороне, противоположной впуску пара, соединялось каждый раз с конденсатором. Эта задача была разрешена с помощью остроумной системы отводных труб, закрывавшихся и открывавшихся с помощью золотника.
В первое время за работой двигателя наблюдал рабочий, в обязанность которого входило регулировать подачу пара.
Создание механизма передающего движение от поршня к валу, потребовало, от Уатта огромных усилий. Многие разрешенные им задачи вообще находились на границе технических возможностей того времени. Одна из проблем заключалась в создании необходимой герметичности. Другая проблема заключалась в самом механизме преобразования движения: ведь для передачи полезной работы, проделываемой поршнем при его движении вверх, необходимо было, чтобы шток поршня жестко соединялся с балансиром. На всех предыдущих паровых двигателях они соединялись цепью. Теперь приходилось думать над тем, как жестко связать между собой шток, двигавшийся прямолинейно, и конец балансира, перемещавшийся по дуге. Уатт добился этого, создав особое передающее устройство, которое так и называется параллелограммом Уатта.
Благодаря полученному в результате всех этих преобразований вращательному движению рабочего вала новый двигатель Уатта годился для привода других рабочих машин. Это позволило ему сыграть революционную роль в развитии крупной машинной индустрии. За 1785-1795 годы было выпущено 144 таких паровых двигателя, а к 1800 году в Англии функционировала уже 321 паровая машина Уатта. Их применяли буквально во всех сферах производства.
p-sb.narod.ru
|
Типы двигателей |
||
|
Необязательное предисловие |
||
|
|
||
|
|
||
Излагаемый здесь автором взгляд на историю классических тепловых двигателей несколько отличается от общепринятого. Причиной этому служит то, что любой тепловой двигатель, от первых пневматических до газоохлаждаемых ректоров АЭС, представляет собой (не вдаваясь в физику и химию превращения рабочего тела) достаточно простое устройство. |
||
|
Функция, которую реализует любой тепловой двигатель (далее двигатель), заключается в том, что бы (как в классике) взять и поделить. В данном случае берётся потенциальная энергия рабочего тела и делится на полезную работу и потери. Для этого дележа придумали всего два принципа: либо использовать непосредственно давление рабочего тела, либо – разогнать его и использовать уже кинетическую энергию потока. Вот собственно и всё. Вся масса созданных в настоящее время двигателей базируется всего лишь на комбинации этих двух принципов и любой двигатель представляет собой машину, преобразующую энергию, преимущественно, одним или вторым способом. Иногда эти способы совмещаются в одном двигателе в сопоставимых пропорциях. |
||
|
Фактически вся громоздкая масса знания о двигателях имеет этот, достаточно скромный базис. Всё остальное, а в частности – технологии расчёта и производства представляет собой надстройку, существенно усложняющую понимание сути и, преимущественно, затрудняющую выход за заданные историей рамки развития двигателестроения. |
||
|
В данном материале автор не ставит задачей высказать своё мнение и знание относительно стратегической линии развития машин, преобразующих энергию, т.к. и то и другое может быть достаточно спорно, а спорить автор считает безсмысленным. В связи с этим здесь рассматриваются только классические тепловые двигатели, базирующие на достижениях средневековой физики и не представляющие собой ничего принципиально нового. Здесь будут показаны только критерии, сформулированные автором, и позволяющие (ИМХО) создать класс машин, сочетающих в себе положительные стороны тепловых двигателей и нагнетателей различного типа. Задача, стоявшая перед автором была чрезвычайно проста – создать на базе сформулированных критериев такое оборудование, которое позволит существенно потеснить объёмные и динамические машины (двигатели, насосы, компрессоры), преобладающие на рынке. |
||
|
|
||
|
Типы двигателей |
||
|
|
||
|
Известное в настоящее время разнообразие двигателей на самом деле базируется всего на двух различных принципах действия: |
||
|
||
|
||
|
Всё известное разнообразие тепловых двигателей базируется только на этих принципах действия (МГД-генераторы и прочее пока оставим в стороне), при этом создаваемые двигатели, в зависимости от задач, реализуют преимущественное использование либо потенциальной, либо – кинетической энергий. |
||
|
|
||
К первому типу тепловых двигателей (преимущественно использующих потенциальную энергию) относятся, преимущественно, поршневые двигатели. Самым первым образцом такого двигателя можно считать метательные трубки действующие от дыхания охотника. Это фактически пневматические двигатели однотактного действия. Данное изобретение оказалось очень живучим, что подтверждает его широкое использование для охоты как на дичь в джунглях, так и на одноклассников в школе. По прошествии некоторого небольшого времени, скорее всего нескольких тысяч лет, народ додумался, что поршень можно использовать и многократно, в результате чего появились вакуумные поршневые |
||
|
двигатели, Христиана Гюйгенса (1681 г.) (слева) и Дениса Папена (1680-е гг.) (справа). Будучи передовыми образцами техники своего времени они обладали замечательными особенностями, присущими любым современным новинкам: работали на дорогом топливе (двигатель Гюйгенса работал на порохе), были сложны в управлении и не особо надёжны. Двигатель Гюйгенса являлся первым двигателем внутреннего сгорания (ДВС), а двигатель Папена – первой действующей паровой машиной, однако пар использовался не для создания избыточного давления (как в классических паровых машинах), а для создания разряжения в цилиндре. В результате работу совершало атмосферное давление (пароатмосферная паровая машина), действовавшее на противоположную сторону поршня, как и в двигателе Гюйгенса, который являлся вакуумным ДВС. |
||
Вакуумные двигатели показали, хотя они не были особенно хороши, что есть альтернатива общепринятым биоприводу на фуражном топливе и водяному колесу. |
||
|
|
||
|
Дальнейшее совершенствование двигателей привело к созданию уже эффективного парового вакуумного насоса Томаса Ньюкомена (1725 г.), ставшего первой эффективно действующей паровой машиной. |
||
|
|
||
|
Первая известная универсальная «огнедействующая машина» (паровая машина) была создана Иваном Ивановичем Ползуновым, к посторйке которой он приступил в 1763 г. Первый её успешный пуск был осуществлён 23 мая (5 июня) 1766 г., через неделю после смерти изобретателя. Фактически пароатмосферная машина Ползунова, |
||
уникальной мощностью в 40 л.с., создавалась независимо от зарубежных конструкций, т.к. в России того времени паровые машины отсутствовали полностью. Единственным русским источником была книга Президента Берг-коллегии Ивана Андреевича Шаттлера «Обстоятельное наставление рудокопному делу», в которой описывался принцип действия паровой машины Ньюкомена. Достижение Ползунова заключалось в создании двухцилиндровой машины, в которой суммировалась работа двух цилиндров, что позволяло получать не дискретное, а относительно непрерывное движение приводимого оборудования. |
||
|
|
||
|
В 1769 г. француз Жозеф Кюньо поставил пароатмосферный двигатель на повозку, чем создал первое наземное транспортное средство с приводом от паровой машины. Учитывая, что та машина не имела достаточной удельной мощности, т.к. для пароатмосферных машин перепад давлений на поршень составлял не более 0,5 атмосферы, армия не заинтересовалась таким орудийным тягачом. Так же им, скорее всего, не заинтересовалось сельское хозяйство, что не позволило ему пройти путь, который проторил непринятый «зелёными» артиллерийский тягач, ставший впоследствии трактором К-700 «Кировец». Так же не нашёл применения безрельсовый паровой локомотив, созданный в 1801 г. Ричардом Тривитиком, учеником Уильяма Мердока. |
||
|
|
||
|
В Англии пошли своим путём, т.к., скорее всего, туда не дошла информация о работах Ползунова. В связи с этим последующие попытки создания парового универсального двигателя пошли по пути различных способов механического аккумулирования работы одного цилиндра. В частности различные конструкции пароатмосферных машин реализовали Томсон и Картрайт, пока Фальк не создал двухцилиндровую паровую машину, позволяющую получать вращательное движение выходного вала. |
||
|
|
||
В 1784 г. Джеймс Уатт запатентовал универсальный паровой двигатель, отличительными особенностями которого было использование расширения пара в цилиндре и использование вынесенного конденсатора. Следует отметить, что идея расширения пара была ненова, т.к. её предложил ещё в 1724 г. Я. Леупольд (пример безалаберного отношения к интеллектуальной собственности). С момента окончания действия патентов Уатта в начале 19 в., совершенствование паровых машин пошло возрастающими темпами, т.к. было снято ограничение на создание машин, действующих от расширения пара в цилиндрах. Развитие паровых машин пошло не по тому, что все резко поумнели, а в связи с тем, что патенты Уатта были составлены столь грамотно, что перекрывали кислород всем его конкурентам, т.к. защищали основополагающие решения в конструкции паровых машин. |
||
|
|
||
В качестве одного из последних достижений в создании паровых машин можно отметить паровую машину И. Штумпфа, созданную в 1908 г. (смотри рисунок). Она отличалась крайне малым вредным пространством (объём между поверхностью поршня и крышкой цилиндра), применением перегретого пара и свободным выходом пара через постоянно открытые окна цилиндра. Применение свободного выхода пара позволило существенно снизить гидравлическое сопротивление выходного тракта (как у двухтактных дизелей), что позволило эффективно использовать более глубокий вакуум в конденсаторе. |
||
|
|
||
|
|
||
В конструкциях Уатта были собраны использовавшиеся прежде и заложены новые принципы работы, характерные для паровых машин, созданных в дальнейшем. В качестве примера можно взять резервные паровые насосы для котельных, имеющие современную дату изготовления, а по качеству и параметрам работы современные продукции Уатта и Болтона. Но нет худа без добра, наличие таких монстров (как показано на рисунке) позволило включить их в правила Котлонадзора, что открывает путь на этот рынок и другим паровым машинам, которые можно и нужно использовать в качестве основных приводов оборудования в паровых котельных (о чём будет сказано подробно в соответствующем разделе). На этом пока и остановимся, т.к. венец современной инженерной мысли, классический поршневой ДВС, отличается от паровой машины только тем, что котёл совмещён с цилиндром и работает на парогазовой смеси (продукты сгорания) или вообще на паро-азотной смеси, что, видите ли, является очень большим научным достижением, т.к. это модный водородный двигатель. |
||
|
|
||
|
Если кратко резюмировать то, что сделано, то первое – придумали цилиндропоршневую группу, а второе – начали совершать работу не вакуумом а избыточным давлением (пара). |
||
|
|
||
|
Кратко отметить можно следующее, что с 19 в. предпринимались попытки существенно упростить паровой двигатель, и избавиться от недостатков возвратно-поступательного движения поршня. Как можем видеть по прошествии скоро двух сотен лет, в создании этих конструкций народ не сильно преуспел, т.к. классические поршневые двигатели чаще являются работающими приводами, чем редкими экспонатами музеев. |
||
|
|
||
Примером попытки создания одного из первых кольцевых (коловратных) двигателей может служить изображенный на рисунке двигатель. Отличительной особенностью этой и аналогичных конструкций было то, что избавиться от возвратно-поступательного или возвратно-вращательного движения не удалось, т.к. здесь возвратно-поступательное движение совершает не поршень, а перегородка, делящая рабочую камеру. С учётом этого, а так же того, что кольцевые двигатели имеют присущие классическим паровым машинам проблемы, а так же до кучи и ряд своих собственных проблем, они не смогли вытеснить паровые машины. |
||
|
|
||
|
|
||
Ко второму типу тепловых двигателей (преимущественно использующих кинетическую энергию) можно отнести любые реактивные двигатели, а как частный их случай – любые турбины, например активного или реактивного типа. Первым известным из истории двигателем, использующим кинетическую энергию рабочего тела, является эолипил Герона Александрийского, созданный предположительно в 130 г. до н.э. |
||
|
Эолипил представлял собой |
||
|
паровой котел на оси, снабжённый парой выпускных труб. Современное и средневековое представления о том как выглядело сиё изделие, представлено на прилагаемых рисунках. Гидравлическим аналогом эолипила Являлось Сегнерово колесо, вращавшееся за счёт реакции, создаваемой вытекающими струями воды. |
||
|
Как известно, в отличие от первого прототипа поршневого двигателя, эолипил не имел практического применения, а использовался исключительно для обогащения понимающих о сути жрецов и облапошивания верующих, которые велись на покупку наливаемой им «святой воды». На этом и закончим рассмотрение этого богоугодного изобретения. |
||
|
|
||
|
Практическое применение эолипил (смотри рисунок) нашёл в настоящее время для работы на пароводяной смеси, особенно на геотермальном тепле, которое поступает в виде высокоминерализованной пароводяной смеси. Эолипил с соплами де Лаваля может работать на влажном пару в связи с тем, что капли жидкости, летящие в турбине со скоростью пара, не могут разрушать турбинные лопатки, по причине их полного |
||
отсутствия в эолипиле. Фактически, его применение вызвано, мягко говоря, раздолбайством в отечественной энергетике, т.к. практически все российские котельные работают на пару столь плохого качества и низких параметров, в связи с чем установленная реактивная турбина там долго работать не будет. Применение эолипила для геотермальных источников можно обосновать только тем, что заказчики этого оборудования достаточно низкообразованны и не знают о существовании цикла Калины, идеально подходящего для их условий. |
||
|
|
||
|
|
||
Возможность практического применения эта технология получила в трудах Джованни Бранки, в 1629 г. сконструировавшего первую активную турбину. Активная турбина представляла собой неподвижно закрепленные сопла, пар из которых направлялся на рабочее колесо турбины. Однако сложность с созданием в 17 в. высокооборотного оборудования, каким являлась паровая турбина, не позволила её использовать в промышленности. Так же, возможно, эта турбина и вообще не была реализована в железе или дереве (бог его знает, из чего тогда делали турбины). |
||
|
|
||
|
Дальнейшее развитие активные турбины получили в трудах Густава Патрика де Лаваля (1883 г.) и Чарльза Алджернона Парсона (1884 г.). |
||
|
|
||
Де Лаваль опытным путём создал одноимённое сопло, которое теперь называют просто соплом Лаваля (видимо то, что де Лаваль являлся шведским промышленником с французскими корнями и сыграло злую шутку в обрезании его знатной фамилии, - неправильно шведа так величать). Сопло де Лаваля позволяло максимально разогнать пар (перевести его потенциальную энергию в кинетическую) до его контакта с лопатками турбины и сводило их функцию, преимущественно, к реверсированию потока пара. Но, учитывая высокую скорость движения пара, необходимо было обеспечить и высокие окружные скорости на лопатках, что при малых диаметрах турбин приводило к очень высоким частотам вращения и соответствующим сложностям с редуцированием числа оборотов. Как видно из прилагаемого рисунка, единственным отличием турбины де Лаваля от турбины Бранки являлось применение расширяющихся сопл. Видимо невозможность создать эффективную и мощную турбину (пределом, на котором остановился де Лаваль были 500 кВт), привела к тому, что более успешным его проектом стало создание молочного сепаратора, непосредственно для привода которого он разработал конструкцию сопла, что и позволило создать фирму, успешно действующую по настоящее время. |
||
|
|
||
Для снижения частоты вращения при сохранении КПД американец Чарльз Кертис в 1896 г. создал активные турбины со ступенями скорости (см. рис.). Особенностью этих турбин было разделение съёма кинетической энергии ускоренного потока пара между несколькими ступенями, что позволяло снизить оптимальные частоты вращения. В данной конструкции происходило полное расширение пара во впускном сопле, когда как в направляющих аппаратах происходило исключительно изменение направления движения пара. |
||
|
|
||
Парсонс реализовал расширение рабочего тела (пара) так же и между лопатками. Этим была создана реактивная турбина. Учитывая, что любая турбина работает с некоторой степенью расширения рабочего тела между лопатками ротора (реактивностью), все турбины являются активно-реактивными. При этом как реактивные турбины принято рассматривать такие турбины, в которых за счёт расширения рабочего тела между лопатками снимается более 50% мощности, выдаваемой турбиной. |
||
|
|
||
|
В результате применения многоступенчатых реактивных турбин появилась возможность срабатывать располагаемый теплоперепад последовательно в нескольких ступенях, что позволило использовать куда меньшие скорости вращения, на которых турбина работает с экономичностью, сопоставимой с экономичностью активной турбины. Реактивная турбина оказалась существенно более приспособлена к нуждам энергетики, что мы видим за счёт доминирования этого оборудования на рынке. |
||
|
|
||
|
Для простоты дела здесь не будем рассматривать паровые турбины других типов, т.к. физика их работы не сильно отличается от рассмотренных осевых турбин. Для полноты картины можно рассмотреть радиальные турбины со спиральным движением пара (см. фото), Турбины такого типа схожи по принципу действия турбине типа "Электра", рассмотренной Александром |
||
Александровичем Радцигом в монографии "Курс паровых турбин" (см. рис. ниже). Здесь рабочее тело проходит многократно через одно и то же колесо, что позволяет существенно укоротить многоступенчатую турбину. В отличие от турбины "Электра" (активной), её современные аналоги являются турбинами смешанного типа. Так же в них не всегда реализовано плоское движение паро, а, например, применяется и объёмное движение, как например в конструкции, показанной на рисунке. |
||
|
|
||
|
||
|
|
velitsko.narod.ru
