первые паровые двигатели — устройство и принцип работы, паровые турбины

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

Предпосылки появления паровых двигателей

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

История изобретения и совершенствования паровых двигателей

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

Начало пути

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

Рассмотрим наиболее значительные проекты по этой тематике.

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

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

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

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

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

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

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

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

Новый этап в разработке паровых двигателей

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Применение паровых машин на транспорте

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

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

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

Паровые устройства в XXI веке

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

Широко используются эти турбины и на конденсационных тепловых электростанциях.

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

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

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

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

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

Паровые автомобили, способные обогнать самолет. История чуда инженерной мысли, которое могло работать практически на чем-угодно

В 1769 году на улицах Парижа появилась причудливая самодвижущаяся повозка, которой управлял ее создатель — артиллерийский инженер Николай Жозеф Кюньо. Сердцем конструкции была паровая машина, работающая по принципу медицинской банки — медный цилиндр наполняли паром, после чего впрыскивали воду, и возникавший вакуум втягивал поршень.

Wikimedia

Несмотря на архаичность конструкции, повозка развила приличную скорость, о чем свидетельствует конец первого в истории заезда: водитель не справился с управлением и врезался в стенку.  Спустя сто лет паровые автомобили вовсю носились по городским улицам, развивая приличные даже по сегодняшним меркам скорости.

В январе 1906 года Фред Мариотт на паровичке с удивительно скромным названием «Ракета», построенном компанией «Братья Стенлей», впервые в мире преодолел 200-километровую отметку, развив скорость в 205,4 км/ч. «Ракета» обгоняла не только любой автомобиль того времени, но и даже самолет. В следующем году прославленный гонщик разбился — опять же на паровом автомобиле. Как показало расследование, на скорости 240 км/ч. Напомним, шел 1907 год. К началу XX века по дорогам колесили уже десятки тысяч паровых автомобилей, в основном грузовиков. От бензиновых собратьев они отличались чрезвычайной долговечностью и надежностью и могли работать на всем, что горит, — угле, дровах, соломе. У этих машин была небольшая скорость (до 50 км/ч), они брали на борт сотни литров воды и выпускали пар в атмосферу.

Чтобы не потеряться и всегда быть на связи, читайте нас в Яндекс. Дзене и не забывайте подписаться на нас в Telegram, ВКонтакте и Одноклассниках!

В Европе паровые автомобили продержались до начала Второй мировой войны и еще в 50-е годы серийно выпускались в Бразилии. Однако были у замечательных машин и серьезные недостатки: после твердого топлива остается много золы и шлака, в его дыме содержится копоть и сера, что абсолютно неприемлемо для городских улиц. Но даже не копоть поставила крест на таких автомобилях. Дело в том, что растопка котла на твердом топливе длилась около двух часов. Поэтому их старались не гасить вовсе — на ночь котел подключали к зданию, нуждавшемуся в тепле, а утром через 10−15 минут автомобиль был готов отправиться в путь. Аналогично использовались железнодорожные паровозы — для отопления небольших поселков.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Автомобиль на спирте

Альтернативой стал паровой автомобиль на жидком топливе: бензине, керосине и спирте. Казалось бы, зачем применять паровой котел, если жидкое топливо прекрасно горит и в двигателе внутреннего сгорания (ДВС)?

Но инженеры того времени рассуждали иначе. Многим из них казалось, что ДВС для транспорта не пригоден: его нельзя запустить, не размыкая трансмиссию, достаточно его притормозить, и он глохнет. ДВС не развивает достаточную тягу во всем диапазоне скоростей, и его приходится дополнять коробкой передач. А теперь посмотрите на паровую машину. Она обладает способностью автоматически приспосабливаться к дорожным условиям. Если сопротивление движению возрастает, она замедляет вращение и увеличивает крутящий момент. Если же сопротивление движению уменьшается, она вращается все быстрее и быстрее.

Вспомним паровоз. Поршень его паровой машины соединялся шатуном непосредственно с колесами. Сцепления и коробки передач не было и в помине. Простой подачей пара в цилиндр паровозы трогали с места тысячетонные составы, постепенно увеличивая их скорость, иной раз километров под двести. И все это делал без каких-либо промежуточных элементов простейший (если сравнивать с ДВС) двигатель.

Поэтому инженеры предпочитали изготовить легкий компактный парогенератор и обойтись лишь одной только паровой машиной, не прибегая к коробке передач и сцеплению.

Первые паровые автомобили на жидком топливе начинали движение уже через 23 минуты. Они выпускали пар в атмосферу, и им требовалось около 30 л бензина и более 70 л воды на 100 км пути. Именно такой двигатель стоял на чемпионской «Ракете».

Автомобиль для миллионеров

В 1935 году на Московском автозаводе им. Сталина (ныне ЗИЛ) появился легковой автомобиль высшего класса с кузовом из красного дерева на шасси «Паккард» из хромоникелевой стали. Этот автомобиль, сделанный американской фирмой «Беслер» по лицензии компании «Добль» в 1924 году, был паровым. Под его капотом размещались парогенератор и два (один за другим) радиатора. На заднем мосту стояла небольшая паровая машина, выполненная в едином блоке с дифференциалом. Сцепления, коробки передач и карданного вала на автомобиле не было. Управление двигателем осуществлялось педалью подачи пара. Изредка приходилось изменять отсечку — фазу прекращения впуска пара в цилиндр. Обычный поворот ключа зажигания — и через 45 секунд автомобиль трогается с места. Еще пара минут — и он готов начать разгон до скорости 150 км/ч с ускорением 2,7 м/с².

Езда на паровом автомобиле — одно удовольствие. Он движется бесшумно и плавно. Тот самый «Добль-Беслер» продолжали испытывать и после войны. Вот что рассказывал инженер-испытатель автомобиля А.Н. Малинин.

В автoмобильной промышленности широко используются испытательные стенды с беговыми барабанами. На таком стенде автомобиль устанавливают ведущими колесами на специальные барабаны, которые имитируют дорогу: мотор работает, колеса вертятся, «дорога» движется, а машина стоит.

И вот однажды в кабину паровичка, стоявшего на таком стенде, сели Малинин и профессор Чудаков (мировая величина в области теории автомобиля). Сели и сидят в полной тишине. Только профессор кнопки нажимает и на приборы поглядывает. Инженер поскучал и спрашивает: «Не пора ли в путь?» «А мы давно уже едем», — отвечает профессор. Спидометр показывал 20 км/ч — величину по тем временам приличную.

По нашим понятиям улицы тогда были пустынны. Но чтобы услышать шум работы парового автомобиля даже на такой улице, приходилось прикладывать ухо к выхлопной трубе парогенератора. Тут тоже требуется пояснение. Двигатель автомобиля «Добль-Беслер» работал по замкнутому циклу с конденсацией пара.

70 л воды хватало на 500 км езды. Выпускать пар на улицу приходилось лишь в редких случаях. Поэтому при хорошо сделанных механизмах в автомобиле просто ничего не могло шуметь, а из парогенератора доносился лишь шум пламени.

Ездить на всем, что горит

Сгорание топлива в цилиндре двигателя внутреннего сгорания (ДВС) протекает при постоянно меняющихся количестве кислорода и температуре, что приводит к образованию огромного объема токсичных веществ. Легковой автомобиль за час работы вырабатывает их достаточно для гибели не одного человека.

В горелке парогенератора все процессы протекают при постоянных и наилучших условиях, поэтому токсичность выхлопа парового автомобиля в сотни раз ниже, чем у автомобиля с ДВС. Проще говоря, сгорание топлива в парогенераторе — длительный непрерывный процесс, как в кухонной газовой горелке. В нем успевают полностью завершиться почти все реакции, чего не удается сделать в цилиндре ДВС.

Важнейший показатель автомобиля — расход топлива. «Добль-Беслер» выпуска 1924 года при массе 2200 кг в среднем расходовал 18 л бензина на 100 км. Это было довольно мало для того времени и оставалось приемлемо для машин такой массы на протяжении 40 лет. Заметим, что в горелке парогенератора могло гореть любое жидкое топливо — бензин, керосин, спирт, растительное масло, мазут… Хотя задача удешевления или экономии топлива в данном случае не ставилась. Автомобиль предназначался для миллионеров.

Наследник самогонного аппарата

Самый важный элемент автомобиля — парогенератор. Он был разработан американскими изобретателями братьями Добль еще в 1914 году и выпускался в Детройте. Он состоял из 10 соединенных последовательно плоских змеевиков в корпусе из жаропрочной стали. Стенки корпуса также были увиты трубками с водой. Холодная вода из конденсатора при помощи небольшого насоса подавалась вначале в трубку, обвивающую стенки корпуса, где немного подогревалась. Это уменьшало потери тепла через стенки. А дальше она поступала в змеевики, где закипала и превращалась в перегретый пар с температурой 450°C и давлением 120 атмосфер.

Такие параметры пара для того времени считались крайне высокими. Как говорит теория, с увеличением температуры и давления пара КПД паровой машины растет. Воспользовавшись этим, братья Добль сделали ее весьма экономичной и легкой. Она имела два цилиндра, и каждый из них был сдвоенным. Пар вначале подавался в верхнюю часть малого диаметра, где расширялся и совершал работу. После этого он поступал в нижнюю часть, имевшую большие диаметр и объем, где совершал дополнительную работу. Принцип двойного расширения был особенно полезен при движении по городу. Здесь часто (например, в момент разгона или троганья с места) в машину подавались большие порции пара, которые бы не сумели отдать всю свою энергию, расширяясь однократно.

Отработанный пар отдавал свое тепло холодной воде, поступавшей в парогенератор, и лишь только после этого попадал в конденсатор, где превращался в воду. Вода подавалась в парогенератор порциями, достаточными лишь для совершения одного-двух ходов поршня паровой машины. Поэтому в парогенераторе единовременно содержалось лишь несколько десятков граммов воды, и это его делало абсолютно взрывобезопасным. При разрыве трубки пар струйкой втекал в топку и автоматика выключала горелку. Подобный случай произошел лишь однажды — после пробега более чем в 200 тысяч километров. Об этом узнали только потому, что автомобиль перестал заводиться. Ремонт длился не более часа и сводился к замене змеевика.

Куда они делись

Возникает вопрос: если паровые автомобили так хороши, то почему же они не вытеснили автомобили с ДВС? Паровой двигатель, насыщенный автоматикой, множеством вспомогательных агрегатов, в начале XX века был сложнее и дороже, чем ДВС, и при этом имел меньший КПД. К тому же, занимал довольно много места — в первую очередь из-за необходимости иметь отдельный бак с водой. Токсичность же выхлопа в те времена никто не ограничивал. И паровая машина проиграла.

С тех пор ДВС значительно усложнился, оброс электроникой, а для снижения токсичности его выхлопа используется специальная система. Сложными стали и трансмиссии. Так что неизвестно, на чем бы мы ездили сейчас, появись экологические требования на полвека раньше.

Кстати, у нас есть канал в Telegram, где можно почитать о самых свежих и интересных новостях из мира науки и техники.

Подписаться

Что заставляет паровоз работать?

При нагревании вода превращается в невидимый пар, известный как пар. Объем воды расширяется, превращаясь в пар внутри котла, создавая высокое давление. Расширение пара толкает поршни, которые соединяются с ведущими колесами, приводящими в движение локомотив.

1. Уголь или нефть являются топливом, используемым для нагрева воды (уголь показан на схеме). Уголь перевозится в тендере локомотива, а кочегар вручную сгребает его в топку. Вода в тендере подается в резервуаре, окружающем уголь. Вода поступает в локомотив через устройство, называемое инжектором.
2. Равномерно распределяя уголь по топке, пожарный создает ровный огонь над решеткой. Воздух проходит через решетки, позволяя углю гореть горячее. Горячие газы, выделяющиеся из угля, проходят вперед через ряд дымоходов или труб к передней части локомотива.
3. Вода окружает топку снаружи. Тепло от горящего угля превращает воду в пар, который поднимается наверх котла. Область вокруг топки и труб является «парогенератором» локомотива.
4. Пар собирается в паровом куполе, самой высокой точке котла. Инженер использует дроссельную заслонку, чтобы регулировать количество пара, подаваемого на поршни. Рычаг дроссельной заслонки в кабине открывает и закрывает дроссельную заслонку в паровом куполе.
5. Пар проходит к поршневым клапанам, которые контролируют подачу пара в цилиндры. Попав в поршень, пар расширяется, толкая его в противоположном направлении. В конце хода поршня открывается выпускное отверстие, позволяя пару выйти. Затем процесс реверсируется и повторяется в обратном направлении. Пар подается с обеих сторон поршня, так что он всегда находится под давлением. Рычаг в кабине позволяет машинисту управлять работой поршневых клапанов (направлением движения локомотива и синхронизацией).
6. Поршни толкают или тянут штоки, соединенные с ведущими колесами, обеспечивая усилие, необходимое для движения локомотива.
7. Пар выбрасывается через сопло и через дымосборник в дымовую трубу. Это действие производит звук «чаф-чаф», который слышен во время движения локомотива. В результате возникает сквозняк или вакуум, втягивающий воздух через решетки топки, чтобы вызвать возгорание угля. И отработанный пар, и угольный дым поднимаются по дымовой трубе.

БЫСТРЫЕ ССЫЛКИ

КУПИТЬ БИЛЕТЫ

МАГАЗИН ПОДАРКОВ

Искать:

Свяжитесь с нами

Железнодорожный музей Мид-Континент
ПО Ящик 358
E8948 Музейная дорога
Северная свобода, Висконсин 53951
Рабочий телефон: 608-522-4261
или 800-930-1385
Электронная почта: [email protected]

Подпишитесь на нашу рассылку по электронной почте

Последние новости

• Milwaukee Road # 988 получает крупный подарок
• Объявлены даты работы отдела реставрации на 2023 год
• Дулут, Южный берег и Атлантика Отчет о ходе работ по восстановлению спального вагона DULUTH за 2022 г.
• Цель пожарного
• Доступен класс поезда

Паровые двигатели 101 — Трехречный бродяга

А. Топка.  Здесь сжигается топливо для создания тепла.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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