Принцип работы парового двигателя

Паровая машина — 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.

• История изобретения паровых машин. Создание паровой машины
• Понятие
• Принцип действия
• Коэффициент полезного действия
• Преимущества
• Недостатки
• Применение
• Типы двигателей
• Как работает паровой двигатель
• Как работает локомотив

Паровой двигатель — тепловой поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия водяного пара, поступающего из парового котла, преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня или вращательного движения вала.

Пар является одним из распространенных теплоносителей в тепловых системах с нагреваемым жидким или газообразным рабочим телом наряду с водой и термомаслами. Водяной пар имеет ряд преимуществ, среди которых простота и и гибкость использования, низкая токсичность, возможность подведения к технологическому процессу значительного количества энергии. Он может использоваться в разнообразных системах, подразумевающих непосредственный контакт теплоносителя с различными элементами оборудования, эффективно способствуя снижению затрат на энергоресурсы, сокращению выбросов, быстрой окупаемости.

Закон сохранения энергии— фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что энергия изолированной (замкнутой) физической системы сохраняется с течением времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть в никуда, она может только переходить из одной формы в другую. С фундаментальной точки зрения, согласно теореме Нётер, закон сохранения энергии является следствием однородности времени и в этом смысле является универсальным, то есть присущим системам самой разной физической природы.

История изобретения паровых машин.

Создание паровой машины

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

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

Понятие

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

Принцип действия

Для работы всей системы необходим паровой котел. Образовавшийся пар расширяется и давит на поршень, в результате чего происходит движение механических частей. Принцип действия лучше изучить с помощью иллюстрации, представленной ниже.

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

Коэффициент полезного действия

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

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

Преимущества

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

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

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

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

Недостатки

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

Применение

До середины ХХ века паровые машины применяли в промышленности. Также их использовали для железнодорожного и парового транспорта.

Заводы, которые эксплуатировали паровые двигатели:

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

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

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

Транспорт с паровым двигателем:

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

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

Настольная рабочая модель двигателя Стирлинга

Типы двигателей

Двигатели бывают двух основных типов: 

• двигатели внешнего сгорания (например, паровые двигатели) сжигают топливо в одном месте и производят энергию в другой части той же машины; 
• двигатели внутреннего сгорания (например, автомобильные двигатели) сжигают топливо и производят мощность в одном и том же месте (в автомобиле все это происходит в сверхпрочных металлических цилиндрах). 

Оба типа двигателей полагаются на тепловую энергию, заставляющую газ расширяться, а затем остывать.

Чем больше разница температур (между самым горячим и самым холодным газом), тем лучше работает двигатель. 

Как работает паровой двигатель

Есть угольный костер, который нагревает воду до тех пор, пока она не закипит и не превратится в пар.

Пар проходит по трубе в цилиндр через открытый входной клапан, где он толкает поршень и приводит в движение колесо.

Затем входной клапан закрывается, и открывается выходной клапан.

Импульс колеса заставляет поршень вернуться в цилиндр, где он выталкивает охлажденный нежелательный пар через выход и дальше вверх по дымовой трубе (дымоходу).

Детали парового двигателя

Паровые двигатели, такие как у этого Локомотива, являются примерами двигателей внешнего сгорания.

Огонь, который и создаёт теплоту, пламя и является источником энергии (1), находится снаружи (вне) цилиндра, где тепловая энергия превращается в механическую энергию (3). Между ними есть котел (2), который превращает тепловую энергию в пар. Пар действует как теплоноситель, толкая поршень (4), который перемещает колеса с помощью кривошипа (5) и приводит в движение поезд (6). Пар и тепловая энергия постоянно выбрасываются из дымовой трубы (7), что делает этот способ особенно неэффективным и неудобным для питания движущейся машины.  

Есть много проблем с паровыми двигателями, но вот четыре из них — наиболее очевидных. 

Во-первых, котел, который производит пар, работает под высоким давлением, и существует риск, что он может взорваться (взрывы котлов были серьезной проблемой с очень ранними паровыми двигателями). 

Взрыв парового котла паровоза

Во-вторых, котел обычно находится на некотором расстоянии от цилиндра, поэтому энергия теряется по пути. Температура внутри кабины машиниста была как в бане – доходила до 100 градусов. Всё это тепло расходовалось, по сути, впустую.

В-третьих, пар, выходящий из дымовой трубы, все еще достаточно горяч, поэтому он содержит потраченную энергию, которая никак не конвертировалась в механическую. 

В-четвертых, поскольку пар выбрасывается из цилиндра каждый раз, когда поршень толкается вперед, двигатель должен потреблять огромное количество воды, а также топлива.

Как работает локомотив

ПаровозСтроение паровоза

1. Топка
2. Дверь Топки
3. Колосники / Колосниковая Решетка
4. Поддувало – место для поддува воздуха
5. Уголь
6. Вода
7. Жаровые трубы
8. Регулятор
9. Коллектор для другого парового оборудования (т. е. свисток, перерывы, воздуходувка и т. д)
10. Паровой купол
11. Главная Паровая Труба
12. Выхлопная труба
13. Взрывная Труба
14. Цилиндр
15. Поршень
16. Задвижка
17. Дымоход
18. Шатун
19. Рукоятка
20. Ведущее колесо
21. Паропровод для тормозов поезда
22. Боковые резервуары для воды
23. Песочница, для тяги по мокрым рельсам
24. Дымосборник 
25. Предохранительный клапан

Паровой двигатель использует угольный огонь (хотя есть и некоторые исключения) в качестве источника энергии для кипячения воды и получения пара.

Горячие газы от горящего угля в топке проходят через котел в «огненных трубах» (144 штуки в случае Локомотива «Барклай»), прежде чем покинуть двигатель через дымовую трубу и дымоход.

По мере того как вода в котле закипает, горячий “мокрый” пар поднимается вверх и собирается из парового купола на верхней части котла через регулирующий клапан, который машинист использует для управления скоростью движения локомотивов.

Из регулятора пар подается по трубопроводу в цилиндры и поочередно поступает через клапаны-золотники (расположенные сбоку корпуса цилиндра), толкая поршень в цилиндре вперед и назад.

Поршень соединен с ведущими колесами через «шатун» и «кривошип» (или «клапанный механизм», как его обычно называют), и движение поршня туда-сюда вращает ведущие колеса. Каждый раз, когда поршень цилиндра движется вперед и назад, ведущее колесо совершает полный оборот.

Рычаг «кривошипа» на каждой стороне локомотива смещен на 90 градусов, чтобы предотвратить его заклинивание, если паровоз остановится с ними в горизонтальном положении.

После выхода из цилиндра отработанный пар выходит из двигателя через дутьевую трубу и поднимается в дымоход в коптильне. Действие пара в дутьевой трубе создает более низкое давление в дымовой трубе, а также помогает вытягивать горячие газы из огня через трубы котла и в свою очередь производить больше пара.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 9 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Принципы работы парового двигателя курсовая 2010 по физике | Дипломная Физика

Скачай Принципы работы парового двигателя курсовая 2010 по физике и больше Дипломная в PDF из Физика только в Docsity! Принцип действия парового двигателя Rīga 2011 Содeржание Аннотация Ведение 1. Теоретическая часть 1.1 Временная цепочка 1.2 Паровой двигатель 1.2.1 Паровой котёл 1.2.2 Паровые турбины 1.3 Паровые машины 1.3.1 Первые пароходы 1.3.2 Зарождение двухколесного транспорта 1.4 Применение паровых двигателей 1.4.1 Преимущество паровых машин 1.4.2 Коэффициент полезного действия 2. Практическая часть 2.1 Построение механизма 2.2 Способы улучшения машины и ее КПД 2.3 Анкетирование Заключение Список используемой литературы Приложение паровой двигатель полезное действие 3. Рассмотреть возможности увеличения КПД в дальнейшем. Данная научная работа будет служить пособием на уроках физики для старших классов и для тех, кого интересует данная тема. 1. Теоретическая часть Паровой двигатель — тепловой поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия водяного пара, поступающего из парового котла, преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня или вращательного движения вала. Пар является одним из распространенных теплоносителей в тепловых системах с нагреваемым жидким или газообразным рабочим телом наряду с водой и термомаслами. Водяной пар имеет ряд преимуществ, среди которых простота и и гибкость использования, низкая токсичность, возможность подведения к технологическому процессу значительного количества энергии. Он может использоваться в разнообразных системах, подразумевающих непосредственный контакт теплоносителя с различными элементами оборудования, эффективно способствуя снижению затрат на энергоресурсы, сокращению выбросов, быстрой окупаемости. Закон сохранения энергии — фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что энергия изолированной (замкнутой) физической системы сохраняется с течением времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть в никуда, она может только переходить из одной формы в другую. С фундаментальной точки зрения, согласно теореме Нётер, закон сохранения энергии является следствием однородности времени и в этом смысле является универсальным, то есть присущим системам самой разной физической природы. 1.1 Времянная цепочка 4000 лет до н. э. — человек изобрел колесо. 3000 лет до н. э. — в Древнем Риме появились первые дороги. 2000 лет до н. э. — колесо приобрело более привычный для нас вид. У него появились ступица, обод и соединяющие их спицы. 1700 г. до н. э. — появились первые дороги, мощенные деревянными брусками. 312 г. до н. э. — в Древнем Риме построены первые дороги с каменным покрытием. Толщина каменной кладки достигала одного метра. 1405 г. — появились первые рессорные конные экипажи. 1510 г. — конный экипаж приобрел кузов со стенами и крышей. Пассажиры получили возможность защититься от непогоды во время поездки. 1526 г. — немецкий ученый и художник Альбрехт Дюрер разработал интересный проект «безлошадной повозки», приводимой в действие мышечной силой людей. Люди, идущие сбоку экипажа, вращали специальные рукоятки. Это вращение с помощью червячного механизма передавалось колесам экипажа. К сожалению, повозка не была изготовлена. 1600 г. — Симон Стевин построил яхту на колесах, двигающуюся под действием силы ветра. Она стала первой конструкцией безлошадной повозки. 1610 г. — кареты претерпели два существенных усовершенствования. Во-первых, ненадежные и слишком мягкие ремни, укачивающие пассажиров во время поездки, были заменены стальными рессорами. Во-вторых, была усовершенствована конная упряжь. Теперь лошадь тянула карету не шеей, а грудью. 1649 г. — прошли первые испытания по использованию в качестве движущей силы пружины, предварительно закрученной человеком. Карету с приводом от пружины построил Йоханн Хауч в Нюрнберге. Однако историки эти сведения ставят под сомнение, поскольку существует версия, что вместо большой пружины внутри кареты сидел человек, который и приводил механизм в движение. 1680 г. — в крупных городах появились первые образцы конного общественного транспорта. приводят в действие генераторы электростанций и винты кораблей. В любом паровом двигателе происходит превращение тепла, вырабатываемого при нагреве воды в паровом котле (бойлере) в энергию движения. Тепло может подаваться от сжигания топлива в печи или от атомного реактора. Самый первый в истории паровой двигателей представлял собой род насоса, при помощи которого откачивали воду, заливающую шахты. Его изобрел в 1689 г. Томас Сэйвери. В этой машине, совсем простой по конструкции, пар конденсировался, превращаясь в небольшое количество воды, и за счет этого создавался частичный вакуум, благодаря чему отсасывалась вода из шахтного ствола. В 1712 г. Томас Ньюкомен изобрел поршневой насос, приводимый в действие паром. В 1760-е гг. Джеймс Ватт улучшил конструкцию Ньюкомена и создал намного более эффективные паровые двигатели. Вскоре их стали использовать на фабриках для приведения в действие станков. В 1884 г. английский инженер Чарльз Пар-соне (1854-1931) изобрел первую применимую на практике паровую турбину. Его конструкции были настолько эффективны, что ими вскоре стали заменять паровые двигатели возвратно- поступательного действия на электростанциях. Наиболее удивительным достижением в области паровых двигателей было создание полностью замкнутого, работающего парового двигателя микроскопических размеров. Японские ученые создали его, используя методы, служащие для изготовления интегральных схем. Небольшой ток, проходящий по электронагревательному элементу, превращает каплю воды в пар, который движет поршень. Теперь ученым предстоит открыть, в каких областях это устройство может найти практическое применение. Паровые двигатели, такие как раньше использовались в локомотивах, работают на производимом при нагревании воды паре. На Рис(1.) показана угольная или дровяная топка (1) нагревает котел, напол-ненный водой (2), который производит пар. Пар поднимается и через сухопарник(3) выталкивается через трубы в цилиндр (4), где он вызывает обратное движение поршня (5). Связанный с поршнем рычаг (6) это золотниковый клапан (7), который сначала позволяет пару попасть в цилиндр (как показано), закрывая выпускное окно (8). Это создает давление, которое двигает поршень вперед и приводит к тому, что золотниковый клапан становится в такое положение, когда выпускное окно открывается и пар выходит наружу. Движение колес заставляет поршень двигаться назад, и все начинается снова. 1.2.1 Паровой котёл Первый паровой котел был построен англичанином Томасом Севери в 1698 г. Это был железный бак, под которым в топке разводили огонь. Через некоторое время вместо бака стали применять длинный (до 10 м) цилиндр диаметром около 1,5 м. Его окружали каменной кладкой, а под ним разводили огонь. Поверхность, омываемая горячими газами, у таких котлов была очень маленькой. Поэтому пара они производили очень мало, а из-за того, что горячие газы в основном уходили в трубу, эффективность такого котла была очень низкой. Большая часть топлива при этом сгорала впустую.В начале XVIII в. конструкция парового котла была изменена. Горячие газы начали пускать по трубам, со всех сторон окруженным водой. Такие котлы получили название «газотрубных» и стали широко применяться в паровозах и пароходах.В конце XIX в. были изобретены прямоточные котлы. Вода в них превращалась в пар по мере движения по трубам: с одной стороны в трубы подается вода, а с другой — выходит пар. 1.2.2 Паровые турбины Паровая турбина представляет собой серию вращающихся дисков, закрепленных на единой оси, называемых ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закрепленных на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в нее подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии. Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения). Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно- поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания.Основной сферой применения паровых турбин является выработка электроэнергии (около 86% мирового производства электроэнергии производится паровыми турбинами), кроме того, они часто используются в качестве судовых двигателей (в том числе на атомных кораблях и подводных лодках). Было также построено некоторое количество паротурбовозов, но они не получили широкого распространения и были быстро вытеснены тепловозами и электровозами. XIX в., после значительного улучшения качества дорог, паровые повозки вновь стали появляться в Англии.Со временем к дилижансу присоединили повозку с запасами топлива и воды. Это позволило пятнадцатиместным паровым дилижансам совершить около 700 рейсов и преодолеть почти 7 тыс. км со скоростью 30 км/ч. Правительство ввело налоги на паровые автомобили. Сокрушительным ударом по владельцам любых механических повозок стал принятый парламентом «Закон о дорожных локомотивах», который уничтожил самое главное преимущество парового транспорта — скорость, ограничив ее до 15 км/ч.Паровоз — локомотив с самостоятельной паросиловой установкой (паровой котел и паровая машина), движущийся по проложенным рельсам. Первые паровозы были созданы в Великобритании в 1803 г. Р. Тревитиком и в 1814 г. — Дж.Стефенсоном. В России первый паровоз построен в 1833 г. отцом и сыном Черепановыми. Рисунок (4.)показывает «дорожного локомотива», построенного Тревитиком и Виваном в 1803 г.В 1865 г., когда железные дороги покрыли своей сетью основную часть территории Англии, их владельцы совместно с владельцами конного транспорта нанесли окончательный удар по паровым каретам. Начиная с этого года паровые машины должны были на загородных участках дороги двигаться со скоростью 7 км/ч, в пределах города — до 4 км/ч. Кроме этого, перед паровой повозкой обязательно должен был бежать специальный человек с красным флажком, предупреждая всех о приближающейся опасности.Так, в Англии на несколько десятилетий был уничтожен такой вид транспорта, как паровые дилижансы. Однако паровозы, приводимые в движение тем же паровым двигателем, беспрепятственно и с выгодой для их владельцев продолжали катить по рельсам. Принятый закон был смягчен лишь в 1878 г. и полностью отменен в 1896 г., когда по дорогам Европы ездили десятки сотен автомобилей с бензиновыми двигателями.Первый паровой колесный тягач в России был построен в 1874 г. на Мальцевском заводе в Людиново. В качестве прототипа был взят английский автомобиль «Эвелин Портер», однако русский тягач получился мощнее и тяжелее. Кроме этого, он был приспособлен к работе на дровах, а не на угле. Всего было построено семь таких тягачей.Как и во Франции, большой интерес к паровым тягачам в России проявило военное ведомство. Как только в России появился первый рутьер, приобретенный бароном Буксгев-деном для своего имения под Ригой, военные провели его испытания. Паровой тягач «системы Томсона» достойно выдержал испытания, и в 1876 г. после испытаний еще нескольких моделей рутьеров было принято решение об их закупке для нужд российской армии. На рис.(5.)-Рутьер — паровой тягач, способный буксировать специальные вагоны, платформы или прицепы. Следующим паровым автомобилем после рутьеров Мальцевского завода был построенный в 1901 г. легковой паромобиль московского велосипедного завода «Дукс». На машине этой довольно удачной конструкции был совершен не только пробег в Крым и обратно, но и восхождение на Ай-Петри. Однако паровым автомобилям так и не удалось прижиться в России. Последней попыткой в этом направлении стала постройка в конце 1949 г. двух паровых грузовых автомобилей НАМИ-012. Испытания подтвердили работоспособность и долговечность машин, при этом их ходовые качества были не хуже, чем у дизельного грузовика. Лесовозный автопоезд с тягачом НАМИ-012 показан на рисунке. (6.).Максимальная скорость — 42 км/ч, запаса дров в бункерах хватало на 80 км пробега. Вернемся во Францию конца XIX в. Здесь в это время паровые автомобили пережили свое второе рождение. Двигатели оснастили керосиновыми горелками вместо угольных топок, теперь они не нуждались в запасе угля и долгом разогреве. Леон Серполле (1858—1907) в своей модели парового экипажа заменил водяной котел длинной многократно изогнутой трубой — змеевиком. Это была настоящая удача, поскольку такая замена позволила уменьшить объем используемой воды. Кроме этого, на повозке Серполле были установлены эластичные шины, повышающие комфорт поездки, и специальный механизм, соединяющий вал паровой машины и ведущие колеса — кардан. Он получил свое название от имени итальянского изобретателя Джероламо Кардано и позволял передать вращение от неподвижно закрепленной паровой машины к покачивающимся на рессорах колесам повозки.В1875 г. первая паровая машина Болли была продемонстрирована в Париже. Она представляла собой паровой дилижанс, рассчитанный на 12 мест, и получила название «Послушная». Имея общую массу 5 т, паровик расходовал на 1 км пути 2,5 кг угля и 14 л воды. По этим показателям Болли удалось опередить подобные паровые омнибусы англичан в 1,5—2 раза. Впереди сидел управляющий поездом (по терминологии тех лет — кондуктор), а сзади — кочегар (шофер), который обслуживал паровой котел. Четырехцилиндровая паровая машина (точнее, две двухцилиндровые) давала возможность на ровной горизонтальной дороге развивать скорость до 40 км/ч.Его новая модель, изготовленная в 80-х гг. XIX в. и получившая название «Новая», имела еще более высокие показатели. Масса омнибуса составляла 3,5 т, при этом на 1 км пути ей требовалось 1,5 кг угля и 7 л воды. По своим скоростным характеристикам машина Болли могла соревноваться даже с только что появившимися бензиновыми автомобилями. Кстати, если отбросить паровой двигатель, то по конструкции и внешнему виду повозка Болли больше была похожа на современный автомобиль, чем первые бензиновые «безлошадные экипажи», официально считающиеся автомобилями. В ее конструкции присутствовали даже такие элементы, как независимая подвеска колес и металлический кузов, получившие распространение на автомобилях лишь в середине 30-х гг. XX в.В дальнейшем часто использовали паровую машину в качестве двигателя легких трех- и четырехколесных повозок. Во Франции этим занимались Леон Серполле и фабрика «Де Дион-Бутон и Трепарду». Использование вертикального трубчатого котла намного меньшего размера, чем обычные, позволило уменьшить массу двигателя, упростить обслуживание и устранить опасность взрыва. Получившиеся в результате усовершенствования небольшие, похожие на брички четырехместные паровые экипажи были очень популярны в начале XX в. во Франции и особенно в США, где паровые автомобили выпускались до начала 30-х гг.Но несмотря на все усовершенствования, паровые автомобили второй половины XIX в. бортовые колеса. Машина делала 40 оборотов в минуту. После успешных испытаний на Неве и перехода из Петербурга в Кронштадт пароход совершал рейсы на линии Петербург — Кронштадт. Этот путь пароход проходил за 5 ч 20 мин со средней скоростью около 9,3 км/ч.К 20-м годам 19 века в Черноморском бассейне был всего лишь один пароход — «Везувий», не считая примитивного парохода «Пчелка» мощностью 25 л. с., построенного киевскими крепостными крестьянами, который через два года был проведен через пороги в Херсон, откуда и совершал рейсы до Николаева.Крупный сибирский золотопромышленник Мясников,. получивший привилегию на организацию пароходства по оз. Байкал и рекам Оби, Тоболу, Иртышу, Енисею, Лене и их притокам, в марте 1843г. спустил на воду пароход “Император Николай I” мощностью 32 л. с., который в 1844 г. был выведен на Байкал. Вслед за ним был заложен и в 1844 г. закончен постройкой второй пароход мощностью 50 л. с., получивший название “Наследник Цесаревич”, который также был переведен на оз. Байкал, где оба парохода и использовались на перевозках.В 40-50-е годы 19века пароходы стали регулярно ходить по Неве, Волге, Днепру и другим рекам. К 1850 г. в России было около 100 пароходов. В 1819 американское парусное почтовое судно на рис.(10.)-«Саванна», дооборудованное паровой машиной и съемными бортовыми колесами вышло из г. Саванна США на Ливерпуль и совершило переход через Атлантику за 24 дня. В качестве двигателя на «Саванне» использовалась одноцилиндровая паровая машина низкого давления, простого действия. Мощность машины составляла 72 л.с., скорость при работе двигателя — 6 узлов (9 км/час). Двигателем пароход ьпользовался не более 85 часов и только в пределах прибрежной зоны.Рейс «Саванны» проводился для оценки необходимых запасов топлива на океанских маршрутах, т.к. сторонники парусного флота утверждали, что ни один пароход не сможет вместить достаточно количество угля для перехода через Атлантику. После возвращения судна в Соединенные Штаты паровой двигатель был демонтирован, а судно до 1822 г. использовалось на линии Нью-Йорк – СаваннаЛегендарный гигант «Титаник» .В котельных помещениях судна было установлено 29 паровых котлов — каждый весом в 100 тонн, которые разогревались жаром 162 топок. Угольные печи разогревали воду в котлах, чтобы получить пар. Затем пар подавался на поршневые двигатели. Как только пар попадал в один из четырех цилиндров двигателя, вырабатывалось необходимое усилие для вращения одного из гребных винтов. Лишний или потеряный пар конденсировался в испарителях и полученная вода могла быть возвращена в котлы для повторного нагревания. Изменение количества пара, поданного надвигатели управляло скоростью судна. Дым от топок и выхлопы двигателей выбрасывались через 3 первых трубы. Четвертая труба была фальшивой и использовалась для вентиляции. На «Титанике» все соответствовало последнему слову техники того времени. Первый военный пароход был построен в США по проекту Р. Фултона в 1815г. Он предназначался для охраны акватории Нью-Йоркского порта и представлял из себя батарейный катемаран. Военные моряки называли его паровым фрегатом, однако Р. Фултон предпочитал называть его паровой батареей и дал ему имя «Demologos» («Глас народа»). В 1829 г. пароход взорвался на рейде Нью- Йорка из-за неосторожного обращения матросов с огнем. В России первый пароходофрегат «Богатырь», ставший предтечей крейсеров, был построен в 1836 г.Применение паровой машины на подводной лодке откладывалось в течение многих лет. Главной проблемой была подача воздуха для сжигания топлива в топке парового котла при нахождении лодки в подводном положении, т.к. при работе машины расходовалось топливо и изменялась масса подводной лодки, а она должна быть постоянно готовой к погружению. Несмотря на препятствия в истории изобретательства подводных кораблей было много попыток построить подводную лодку, снабженную паровым двигателем. Проект подводной лодки с паровой машиной первым разработал в 1795 г. французский революционер Арман Мезьер, но ему не удалось осуществить его. В 1815 году Роберт Фултон построил в Нью-Йорке большое подводное судно, снабженное мощной паровой турбиной, длиной восемьдесят футов и шириной двадцать два фута с экипажем в 100 человек. Однако Фултон умер до того, как «Mute» был спущен на воду, и эта подводная лодка пошла на слом.Летом 1866 г. была создана подводная лодка талантливого русского изобретателя И. Ф. Александровского. Она испытывалась в течение нескольких лет в Кронштадте на рис.(11.). Было вынесено решение о ее непригодности ее для военных целей и нецелесообразности проведения дальнейших работ по устранению недостатков. 1.3.2 Зарождение двухколесного транспорта Параллельно с развитием первых автомобилей изобретатели продолжали совершенствовать конструкции мотоциклов и установленных на них моторов. Наиболее интересными работами в этой области были аппараты французского инженера Луи Гийома Перро, который создал собственный паровой мотоцикл. Начал он, как и его соотечественник Эрне Мишо, с велосипеда, оснастив его в 1868 г. большим маховиком, благодаря чему ездок мог определенное время двигаться по инерции. Через год Перро стал применять в своих конструкциях одинарную трубчатую раму.Революционным стал велосипед, разработанный Луи Перро, с электроприводом на заднем колесе. А ведь это было во времена, когда электротехника только зарождалась и хороших электромоторов не существовало, поэтому фантастический для того времени проект тик и остался на бумаге.Итогом всех этих изобретений стала паровая машина для велосипеда, разработанная Перро в 1871 г. Через некоторое время мотоцикл был изготовлен и опробован на ходу. Топливом для горелки должны были служить винный спирт, керосин или растительное масло. Двигатель — одноцилиндровая паровая машина. Вдоль рамы крепился рабочий цилиндр, а бачки для топлива и воды располагались поперек рамы. С помощью специального регулятора можно было менять количество подаваемого в цилиндр пара, изменяя тем самым скорость мотоцикла. Тормоза на машине 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. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами. Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса. 1.4.2 Коэффициент полезного действия Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определён как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты, содержащейся в топливе. Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла. КПД тепловой машины равен , 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): 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 30 — 42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать коэффициента полезного действия 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. 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°С. В предыдущем прототипе мы при благоприятных условиях могли бы получить от 1-3% КПД, но при данном улучшении КПД должен увеличиться до 3-6%.Идея очень простая и работает за счет давления пара образованного в емкости. Улучшения заключается в том, что изменяется положение емкости и способ перехода энергии. На емкости в том месте, где выходит пар, приделана трубочка внутри которой находиться металлический шарик, который закрывает емкость. Шарик подпирает пружинка, которая соединяет шарик и поршень. В самой трубочке образованны отверстия, чтобы пару было куда уйти. И принцип заключается в том, что в емкости при нагревании образуется пар и в момент увеличения давления, когда давление увеличивается до определенного момента, давление вытесняет шарик. Вытесненный шарик по цепной реакции задействует пружинку, а она в свою очередь переходит на поршень и так через рычаги механическая энергия переходит на колеса. И так продолжается пока в емкости может образоваться давление для вытеснения шарика. Таким образом, если урегулировать механизм мы можем, получит частое поднятие шарика, а это приведет к созданию скорости. 2.3 Анкетирование Результаты анкетирования показали, что из 20 учеников 2 классов на 10 вопросов правильно ответили 65% учеников. На самые актуальные вопросы сделана таблица на рис.(20.) для наглядного сравнения. Заданные вопросы: 1.Как вы думаете, какой будет КПД у этой машины и почему? на рисунке (21.) 2. В каких промышленных предприятиях используют паровой двигатель? 3. В каком году французский изобретатель Кюньо построил первый в мире паровой автомобиль? 4. Кто такой англичанин Томас Севери? 5. Какую максимальную скорость развивал паровой автомобиль? Заключение После написания работы были сделаны выводы, что паровая техника до сих пор окружает нас и используется и по сей день: паровозы сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами, насосные станциями и множество других мест.Проанализировав научную литературу, стало очевидно, что именно паровой двигатель изменил наш мир, и наши жизни, поскольку именно с его открытия настала эра развития технологий и разного вида транспорта. Изучив принцип работы паровых двигателей, сконструировали и построили простейший механизм, работавший на пару. Рассмотрели возможности увеличения КПД в дальнейшем. В работе при создании механизма мы столкнулись с рядом проблем, которые помешали добиться желаемого результата и что, в конечном счете, привело к малой мощности нашего механизма. Что частично опровергает нашу гипотезу. Чрезмерное влияние внешних факторов и большая потеря тепла, энергии впустую, были причинами неудачи. Так же не достаточное быстрое и малое количество образования пара привело к тому, что не создавалось нужное давление и что в последствии привело нехватке мощности. При конструировании механизма следующего поколения большинство факторов было учтено, чтобы избежать прежней участи. Чертежи были основанные, для того чтобы улучшить механизм и добиться желаемого результата. По этой работе можно судить, что в мире паровых технологий и по сей день, есть куда стремиться и развиваться. И может именно эта технология станет самой экономичной, экологической и мощной в дальнейшем в мире.

Принцип действия парового двигателя | Хитрости Жизни

Содержание

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.

История изобретения парового двигателя

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.

Как устроен паровой двигатель. Принцип действия

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.

Преимущества и недостатки

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:

• высокая надёжность;
• возможность эксплуатации при значительных колебаниях нагрузки;
• допустимость продолжительных перегрузок;
• долговечность;
• низкие расходы на эксплуатацию;
• простота в обслуживании.

К недостаткам можно отнести:

• наличие кривошипно-шатунного механизма;
• низкий КПД по сравнению с другими типами двигателей.

Применение в настоящее время

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.

Tuesday , Aug 06th

Last update 08:30:58 AM GMT

Паровой двигатель, принцип работы

Паровые двигатели были установлены и приводили в движение большую часть паровозов в период начала 1800 и вплоть до 1950 годов прошлого века. Хочется отметить, что принцип работы этих двигателей всегда оставался неизменным, несмотря на изменение их конструкции и габаритов.

На анимированной иллюстрации приведен принцип работы парового двигателя.

Для генерации подаваемого на двигатель пара использовались котлы, работающие как на дровах и угле, так и на жидком топливе.

Первый такт

Пар из котла поступает в паровую камеру, из которой через паровую задвижку-клапан (обозначена синим цветом) попадает в верхнюю (переднюю) часть цилиндра. Давление, создаваемое паром, толкает поршень вниз к НМТ. Во время движения поршня от ВМТ к НМТ колесо делает пол оборота.

Выпуск

В самом конце движения поршня к НМТ паровой клапан смещается, выпуская остатки пара через выпускное окно, расположенное ниже клапана. Остатки пара вырываются наружу, создавая характерный для работы паровых двигателей звук.

Второй такт

В то же самое время, смещение клапана на выпуск остатков пара открывает вход пара в нижнюю (заднюю) часть цилиндра. Созданное паром в цилиндре давление заставляет поршень двигаться к ВМТ. В это время колесо делает еще пол оборота.

Выпуск

В конце движения поршня к ВМТ остатки пара освобождаются через все то же выпускное окно.

Цикл повторяется заново.

Паровой двигатель имеет т.н. мертвую точку в конце каждого хода, когда клапан переходит от такта расширения к выпуску. По этой причине каждый паровой двигатель имеет два цилиндра, что позволяет запускать двигатель из любого положения.

11 августа 1807 года принято считать днем рождения парового судна. В этот день произошло испытание парохода, построенного талантливым американским инженером Робертом Фултоном. Пароход «Клермонт» открыл регулярные рейсы по реке Гудзон между Нью-Йорком и Олбени. В 1838 году британский пароход «Great Eastern» пересек Атлантику, не поднимая парусов, хотя и имел парусное вооружение. Рост промышленности требовал корабли и суда, которые могли бы независимо от воли стихии совершать регулярные рейсы по Атлантическому и Тихому океанам. В XIX веке резко возросли размеры паровых судов, а вместе с ними и мощности паровых машин. К 90-м годам мощность их была доведена до 9000 лошадиных сил.

Постепенно паровые машины становились все более мощными и надежными. Первые судовые силовые установки состояли из поршневой паровой машины и больших маломощных котлов, отапливаемых углем.

Сто лет спустя коэффициент полезного действия (КПД) паровой силовой установки уже равнялся 30 процентам, и развивала мощность до 14720 кВт, а число обслуживающего персонала сократилось до 15 человек. Но малая производительность паровых котлов требовала увеличения их количества.

На грани двух веков паровыми машинами оборудовались в основном пассажирские суда и грузопассажирские корабли, чисто грузовыми судами были только парусники. Это объяснялось несовершенством и малой эффективностью паровой силовой установки того времени.

Применение появившихся в 80-х годах XIX века водотрубных котлов, которые сейчас работают на жидком топливе, улучшило эффективность паровых силовых установок. Но коэффициент полезного действия их достиг всего лишь 15 процентов, чем и объясняется прекращение постройки пароходов. Но в наше время еще можно встретить суда, приводимые в движение поршневыми паровыми машинами это речной пароход «American Queen».

Судовые поршневые паровые машины

поршневой паровой двигатель

В судовых силовых установках с паровыми машинами в качестве рабочего тела используется водяной пар. Поскольку пресную воду на судах можно перевозить только в ограниченном количестве, в данном случае применяют замкнутую систему циркуляции воды и пара. Разумеется, при работе силовой установки возникают определенные потери пара или воды, однако они незначительны и возмещаются водой из цистерны или испарителей.

Принцип действия поршневой паровой машины

Рабочий пар подается в паровой цилиндр через паровые поршни. Он расширяется, давит на поршень и заставляет его скользить вниз. Когда поршень достигает своей нижней точки, парораспределительный золотник изменяет свое положение. Свежий пар подается под поршень, в то время как пар, заполнявший прежде цилиндр, вытесняется.

Теперь поршень движется в противоположном направлении. Таким образом, поршень совершает во время работы движения вверх и вниз, которые с помощью кривошипно-шатунного механизма, состоящего из штока, ползуна и соединенного с коленчатым валом шатуна, преобразуются во вращательные движения коленчатого вала. Впуск и выпуск свежего и отработавшего пара регулируют клапаном. Клапан приводится в действие от коленчатого вала посредством двух эксцентриков, которые через штанги и шатун соединены с золотниковой штангой.

Перемещение шатуна с помощью переводного рычага вызывает изменение количества пара, заполнившего цилиндр за один подъем поршня, а следовательно, меняются мощность и частота вращения машины. Когда шатун находится в среднем положении, пар уже не входит в цилиндр, и паровая машина прекращает движение. При дальнейшем перемещении шатуна с помощью переводного рычага машина снова приводится в движение, на этот раз в противоположном направлении. Это обусловливает обратное движение судового движителя.

В первых судовых силовых установках применяли поршневые паровые машины, в которых расширение от входного до выходного давления и до давления в конденсаторе происходило в одном цилиндре. Принцип действия поршневой паровой машины показан на рисунке 2. Со временем стали применять машины многоступенчатого расширения. Принцип действия машины трехступенчатого расширения схематично показан на рисунке 3.

поршневая паровая машина

поршневая паровая машина трехкратного росширения

схема действия первой, как работает аппарат двойного и тройного расширения, устройство двигателя, как он действует?

Содержание

• Схема действия первой паровой машины
• Как работает аппарат?
  • Двойного расширения
  • Тройного расширения
• Устройство двигателя, как он действует?
• Какие конструкции используют сейчас?
• Видео по теме статьи
• Заключение

Схема действия первой паровой машины

Первой паровой машиной считается одноцилиндровый двигатель Дени Папена, созданный в 1680 году. Устройство состояло из:

1. Металлического цилиндра. Цилиндр этой машины также выполнял роль емкости для воды для образования пара.
2. Поршень со штоком.
3. Выпускного клапана. Им был оснащен сам поршень.
4. Фиксатор. С его помощью производилась фиксация поршня в верхнем положении.

Устройство работало по следующему принципу:

• гильза с водой устанавливалась на огонь;
• при нагреве вода закипала, образовывался пар;
• образованный кипением пар вытеснял весь воздух из гильзы через клапан и поднимал поршень в цилиндре;
• при достижении полного положения открытия, поршень удерживался фиксатором.

Конструкция не позволяла выполнить одновременное открытие и закрытие поршня (возвратно-поступательное движение). Для его возврата к исходному положению необходимо было остудить верхнюю часть гильзы и сдвинуть рычаг фиксации.

Под собственным весом и силой атмосферного давления поршень опускался вниз. Для повторной работы требовалось снова установить цилиндр на источник тепла и повторить процесс нагрева воды.

Данная модель паровой машины создавалась для шахтных насосов, но из-за низкого КПД (меньше 1%), ее использование со временем стало неэффективным.

Как работает аппарат?

Система расширения позволяет:

1. В полной мере использовать объем поданного в двигатель пара.
2. Увеличить КПД машины.
3. Снизить температуру перед отводом пара на конденсатор.
4. Снизить объем выброса в атмосферу отработанного пара.

Двойного расширения

Двигатель двойного расширения или компаунд состоит из следующих элементов:

• цилиндра и поршня малого диаметра;
• одного цилиндра большого диаметра;
• конденсатора;
• регулятора давления.

Работает устройство следующим образом:

1. В котле образуется пар и поступает на первый цилиндр. При этом давление и температура пара очень высокие.
2. Пар толкает поршень, при этом температура и давление газа в гильзе снижается.
3. Отработанный пар, обладая низким давлением, но уже большим объемом, переводится во второй поршень.
4. Второй поршень сдвигается, переводя первый на исходное положение.
5. Отработанный пар из второй гильзы отводится на конденсатор.

Система очень простая, но ее недостатком является сложность запуска двигателя, если первый поршень находится в промежуточном или полностью в верхнем положении.

Тройного расширения

Система тройного или множественного расширения более усовершенствованная и эффективная.

Она состоит из:

• первой гильзы и поршня большого диаметра для работы с паром высокого давления и температуры;
• второго цилиндра и поршня диаметром меньше, чем первый, увеличена также длина гильзы, но ход поршня остается прежним — это сделано для отработанного пара, у которого снизилось давление и увеличился объем, этот цилиндр работает с паром среднего давления;
• третьей группы (цилиндр-поршень) еще меньшего диаметра, чем две предыдущие группы, увеличена и его длина, группа работает с паром низкого давления.

Отработанный пар, после прохождения всех трех групп, переводится на конденсатор.

Работает двигатель тройного расширения следующим образом:

1. Образованный в котле пар поступает на золотник.
2. Золотник перераспределяет пар на первый цилиндр.
3. Пар смещает поршень. За счет смещения перекрывается входной паровой клапан. Клапан защищает гильзу от поступления лишнего объема пара.
4. При достижении первым поршнем верхней мертвой точки, открывается клапан второго цилиндра. Отработанный пар поступает в него уже с меньшим давлением и большим объемом. При этом первый поршень начинает движение назад.
5. После достижения вторым поршнем своей верхней мертвой точки, охлажденный отработанный пар отводится к третьему цилиндру. При этом открывается входной клапан первого цилиндра.

Полностью охлажденный пар отводится через последний клапан на конденсатор. Паровые двигатели тройного расширения не страдают от проблем со стартом при открытом положении поршня.

Это компенсируется работой золотникового поршня и поступления давления к гильзе с задней стороны. Если поршень находится в закрытом состоянии, задний клапан не открывается.

Двигатели с подобной системой имеют высокий КПД (до 30%). Для его увеличения и экономии ресурса следующей моделью являются машины множественного расширения (4 и более).

Устройство двигателя, как он действует?

Двигатель паровой машины – это основной агрегат, который не включает в себя паровой котел.

Он состоит из следующих элементов:

• входной паровой патрубок с клапаном;
• цилиндр золотникового клапана;
• сам золотник;
• основная гильза с поршнем;
• двух поршневых штоков — один крепится к основному поршню, второй к золотнику;
• канал ползуна — используется для балансировки направления ползуна при движении;
• ползун — крепится к штоку основного поршня и соединяется через эксцентрик с шатуном;
• шатун — передает поступательное движение на маховое колесо;
• кривошип — соединительный элемент махового колеса и шатуна;
• маховое колесо — центрует и балансирует вращательное движение;
• центробежный регулятор давления — используется для регулировки давления системы;
• система распределительных линий;
• конденсатор — используется для конденсации отработанного пара.

Схема паровой машины тандем: 1 — поршень, 2 — поршневой шток, 3 — ползун, 4 — шатун, 5 — кривошип, 6 — вал, 7 — маховик, 8 — скользящий клапан, 9 — центробежный регулятор

Работает двигатель следующим образом:

1. Из котла пар поступает в гильзу высокого давления с золотниковым клапаном.
2. Золотник смещается, под действием расширения пара, в верхнюю мертвую точку, открывая канал для поступления пара в нижнюю часть основной гильзы.
3. Пар под давлением смещает поршень в верхнюю мертвую точку. При этом золотник сдвигается в обратном направлении, перекрывая канал поступления пара в переднюю часть цилиндра, и открывая канал его задней части.
4. Через этот канал, пар поступает за поршень и толкает его в обратном направлении.
5. Обратно поступательное движение поршней передается на штоки. Шток золотника проворачивает маховик, который толкает шатун, ползун и шток главного поршня. Это обратное поступательное движение, которое дополняет энергию давления пара.
6. Шатун основного поршня сдвигается в направлении маховика и проворачивает его.
7. Энергия вращения передается через вал или ременную передачу на второстепенное устройство (насос, станок, колесо).

В ходе работы весь отработанный пар поступает в конденсатор, где пар превращается в воду, которая перенаправляется обратно к котлу. Остаток пара выводится в атмосферу.

Вся работа машины также зависит от центробежного регулятора. Именно он, за счет скорости своего вращения, открывает основной клапан на полный ход или перекрывает его.

Какие конструкции используют сейчас?

Паровые машины используют в следующих сферах:

1. Транспорт. В некоторых участках мира все еще курсируют паровозы. На паровозах устанавливается двигатель двойного или множественного расширения.
2. Простые двухцилиндровые машины применяются в качестве приводов насосного оборудования в шахтах, химической промышленности.
3. Паровые турбины применяются в энергетике. Именно эти устройства являются приводом генераторов.
4. Паровые турбины или небольшие двигатели применяются на ТЭЦ для обеспечения подачи тепла.

Роль паровых машин современности все еще остается важной. Причиной является малая затрата на топливо, простота и надежность конструкции.

Видео по теме статьи

Об устройстве и принципе работы паровой машины расскажет видео:

Заключение

Паровые машины все еще востребованы современным обществом. Они несут свет и тепло в дома, перевозят людей в горных районах мира. Устройство и принцип работы подобных машин все еще совершенствуется инженерами для достижения наибольшего КПД.

А какова Ваша оценка данной статье?

Загрузка. ..

Паровой двигатель | это… Что такое Паровой двигатель?

Парова́я маши́на — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого 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 преобразовывает энергию пара в механическую работу.

Значение паровых машин

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

Паровые турбины, формально являющиеся разновидностью паровых машин, до сих пор широко используются в качестве приводов генераторов электроэнергии. Примерно 86% электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с использованием паровых турбин.

Принцип действия

Для привода паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям. Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины они могут использовать практически любой вид топлива — от дров до урана.

Паровая машина в действии

Изобретение и развитие

Эолипил

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

Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским философом, астрономом и инженером XVI века Таги-аль-Дином^[1]. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 г. итальянский инженер Джованни Бранка^[2] 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.

Однако дальнейшее развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики двигателей могли бы воспользоваться их результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения. Только в конце 17-го столетия паровые двигатели были созданы как единичные курьёзы. Первая машина была создана испанским изобретателем Йеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т.Сейвери (см. ниже). Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 г. англичанином Эдвардом Сомерсетом^[3]. В 1663 г. 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-ом столетии). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной.

Проект Дени Папена для машины с поршнем и цилиндром, 1680.

Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-ых 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 г. 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, как демонстрационная модель, но 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 Таги-аль-Дина и Сейвери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.

Первые промышленные двигатели

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

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

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

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

Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.

Хэмфри Гэйнсборо в 1760-ых годах построил модель паровой машины с конденсатором. В 1769 году шотландский механик Джеймс Уатт (возможно, использовав идеи Гейнсборо) запатентовал первые существенные усовершенствования к вакуумному двигателю Ньюкомена, которые сделали его значительно более эффективным по расходу топлива. Вклад Уатта заключался в отделении фазы конденсации вакуумного двигателя в отдельной камере, в то время как поршень и цилиндр имели температуру пара. Уатт добавил к двигателю Ньюкомена ещё несколько важных деталей: поместил внутрь цилиндра поршень для выталкивания пара и преобразовал возвратно-поступательное движения поршня во вращательное движение приводного колеса.

На основе этих патентов Уатт построил паровой двигатель в Бирмингеме. К 1782 году паровой двигатель Уатта оказался более чем в 3 раза производительнее машины Ньюкомена. Повышение эффективности двигателя Уатта привело к использованию энергии пара в промышленности. Кроме того, в отличие от двигателя Ньюкомена, двигатель Уатта позволил передать вращательное движение, в то время как в ранних моделях паровых машин поршень был связан с коромыслом, а не непосредственно с шатуном. Этот двигатель уже имел основные черты современных паровых машин.

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

Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7—8 миль в час. Пароход Дж. Фитча не был коммерчески успешным, поскольку с его маршрутом конкурировала хорошая сухопутная дорога. В 1802 году шотландский инженер Уильям Симингтон построил конкурентоспособный пароход, а в 1807 году американский инженер Роберт Фултон использовал паровой двигатель Уатта для привода первого коммерчески успешного парохода. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком.

Паровые машины с возвратно-поступательным движением

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

Вакуумные машины

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

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

Приблизительно в 1811 году Ричарду Тревитнику потребовалось усовершенствовать машину Уатта, для того чтобы приспособить её к новым котлам Корниша. 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 машин Корниша, и строились вплоть до 1890-х годов. Множество старых машин Уатта было реконструировано до этого уровня. Некоторые машины Корниша имели весьма большой размер.

Паровые машины высокого давления

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.

Схема горизонтальной одноцилиндровой паровой машины высокого давления, двойного действия. Отбор мощности осуществляется приводным ремнем:
1 — Поршень
2 — Шток поршня
3 — Ползун
4 — Шатун
5 — Коленчатый вал
6 — Эксцентрик для привода клапана
7 — Маховик
8 — Золотник
9 — Центробежный регулятор.

Паровые машины двойного действия

Следующим важным шагом в развитии паровых машин высокого давления стало появление машин двойного действия. В машинах одинарного 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 легким 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.

Парораспределение

Основная статья: Парораспределение

Индикаторная диаграмма, показывающая четырёхфазный цикл поршневой паровой машины двойного действия

В большинстве возвратно-поступательных паровых машин пар изменяет направление движения в каждом такте рабочего цикла, поступая в цилиндр и выходя из него через один и тот же коллектор. Полный цикл двигателя занимает один полный оборот кривошипа и состоит из четырёх фаз — впуска, расширения (рабочая фаза), выпуска и сжатия. Эти фазы контролируются клапанами в «паровой коробке», смежной с цилиндром. Клапаны управляют потоком пара, последовательно соединяя коллекторы каждой стороны рабочего цилиндра с впускным и выпускным коллектором паровой машины. Клапаны приводятся в движение клапанным механизмом какого-либо типа. Простейший клапанный механизм дает фиксированную продолжительность рабочих фаз и обычно не имеет возможности изменять направление вращения вала машины. Большинство клапанных механизмов более совершенны, имеют механизм реверса, а также позволяют регулировать мощность и крутящий момент машины путём изменения «отсечки пара», то есть изменяя соотношение фаз впуска и расширения. Так как обычно один и тот же скользящий клапан управляет и входным и выходным потоком пара, изменение этих фаз также симметрично влияет на соотношения фаз выпуска и сжатия. И здесь существует проблема, поскольку соотношение этих фаз в идеале не должно меняться: если фаза выпуска станет слишком короткой, то большая часть отработанного пара не успеет покинуть цилиндр, и создаст существенное противодавление на фазе сжатия. В 1840-х и 1850-х годах было совершено множество попыток обойти это ограничение, в основном путём создания схем с дополнительным клапаном отсечки, установленном на основном распределительном клапане, но такие механизмы не показывали удовлетворительной работы, к тому же получались слишком дорогими и сложными. С тех пор обычным компромиссным решением стало удлинение скользящих поверхностей золотниковых клапанов с тем, чтобы впускное окно было перекрыто дольше, чем выпускное. Позже были разработаны схемы с отдельными впускными и выпускными клапанами, которые могли обеспечить практически идеальный цикл работы, но эти схемы редко применялись на практике, особенно на транспорте, из-за своей сложности и возникающих эксплуатационных проблем.^[5][6]

Сжатие

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

Опережение

Описанный эффект «паровой подушки» усиливается также тем, что впуск свежего пара в цилиндр начинается несколько раньше, чем поршень достигнет крайнего положения, то есть присутствует некоторое опережение впуска. Это опережение необходимо для того, чтобы перед тем, как поршень начнёт свой рабочий ход под действием свежего пара, пар успел бы заполнить то мёртвое пространство, которое возникло в результате предыдущей фазы, то есть каналы впуска-выпуска и неиспользуемый для движения поршня объем цилиндра.^[7]

Простое расширение

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

Компаунд

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

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

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

Двухцилиндровые компаундные машины могут быть классифицированы как:

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

После 1880-х годов компаундные паровые машины получили широкое распространение на производстве и транспорте и стали практически единственным типом, используемым на пароходах. Использование их на паровозах не получило такого широкого распространения, поскольку они оказались слишком сложными, частично из-за того, что сложными были условия работы паровых машин на железнодорожном транспорте. Несмотря на то, что компаундные паровозы так и не стали массовым явлением (особенно в Великобритании, где они были очень мало распространены и вообще не использовались после 1930-х годов), они получили определённую популярность в нескольких странах.^[8]

Множественное расширение

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

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

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

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

Прямоточные паровые машины

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

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

Паровые турбины

Основная статья: Паровая турбина

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

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

Основной сферой применения паровых турбин является выработка электроэнергии (около 86% мирового производства электроэнергии производится паровыми турбинами), кроме того, они часто используются в качестве судовых двигателей (в том числе на атомных кораблях и подводных лодках). Было также построено некоторое количество паротурбовозов, но они не получили широкого распространения и были быстро вытеснены тепловозами и электровозами.

Другие типы паровых двигателей

Применение

Паровые машины могут быть классифицированы по их применению следующим образом:

Стационарные машины

Паровой молот

Паровая машина на старой сахарной фабрике, Куба

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

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

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

Транспортные машины

Паровоз

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

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

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

Преимущества паровых машин

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

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

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

В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) 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. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами.

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

Коэффициент полезного действия

Основная статья: Коэффициент полезного действия

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

,

где

W_out — механическая работа, Дж;

Q_in — 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):

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 30 — 42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать коэффициента полезного действия 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. 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°С.

Нетрадиционные машины

На 4-м канале Британского телевидения с 1998 года проводится реалити-шоу «Scrapheap Challenge» («Вызов со свалки»), в котором друг против друга выступают две команды из трёх постоянных участников и одного специалиста. Командам даётся 10 часов для постройки заданной машины из частей, которые они находят на свалке металлолома, а затем устраиваются гонки. В 2007 году команды британских и американских инженеров строили колёсный пароход в духе Брюнеля. При этом британская команда использовала для управления паровой машиной электрическую систему с микровыключателями и соленоидными клапанами. Их пароход набрал скорость, близкую к дизельной лодке американской команды.

См. также

• Тепловая машина
• Двигатель внешнего сгорания
• Водяной пар
• Паровоз
• Устройство паровоза
• Пароход
• Локомобиль
• Компаунд-машина
• Паровой котёл
• Золотник (распределитель)
• Тендер-конденсатор

История паровых машин

Россия

• История паровоза
• История пассажирских паровозов в России
• История грузовых паровозов в России
• Центральный музей железнодорожного транспорта РФ

Великобритания

• Боултонский музей паровых машин(англ.)

• Кью-Бриджский музей паровых машин(англ.)

Примечания

1. ↑ Таги-аль-Дин(англ.)
2. ↑ Джованни Бранка(англ. )
3. ↑ Эдвард Сомерсет(англ.)
4. ↑ Hulse David K (1999): «The early development of the steam engine»; TEE Publishing, Leamington Spa, UK, ISBN, 85761 107 1(англ.)
5. ↑ Riemsdijk, John van: (1994) Compound Locomotives, pp. 2-3; Atlantic Publishers Penrhyn, England. ISBN No 0 906899 61 3(англ.)
6. ↑ Carpenter, George W. & contributors (2000): La locomotive à vapeur: pp. 56-72; 120 et seq; Camden Miniature Steam Services, UK. ISBN 0 9536523 0 0(фр.)
7. ↑ A.M. Bell Locomotives. — London: Virtue and Company. — С. pp61-63.(англ.)
8. ↑ Riemsdijk, John van: (1994) Compound Locomotives, Atlantic Publishers Penrhyn, England. ISBN No 0 906899 61 3 (англ.)

Литература

• Паровые машины. История, описание и приложение их. 1838 г., СПб.: тип.Эдуарда Праца и Ко. — 234 с.
• Брандт А. А. Очерк истории паровой машины и применения паровых двигателей в России, СПб., 1892.
• Тонков Р. Р. К истории паровых машин в России. — «Горный журнал», № 6, 1902 г.
• Лебедев В. И. Занимательная техника в прошлом. Ленинград: «Время», 1933 г. — 198 с.
• Люди русской науки: Очерки о выдающихся деятелях естествознания и техники / Под ред. С.И. Вавилова. — М., Л.: Гос. изд-во техн.-теоретической лит-ры, 1948 г.
• Конфедератов И. Я. Иван Иванович Ползунов. — М. — Л.: Госэнергоиздат, 1954 г. — 296 с.

Внешние ссылки

• В погоне за циклом Карно
• Изобретение паровой машины Ползуновым
• Н. Александров. Из истории паровой турбины
• Очарованные паром

Паровая машина устройство и принцип действия

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.

История изобретения парового двигателя

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.

Как устроен паровой двигатель. Принцип действия

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:

• высокая надёжность;
• возможность эксплуатации при значительных колебаниях нагрузки;
• допустимость продолжительных перегрузок;
• долговечность;
• низкие расходы на эксплуатацию;
• простота в обслуживании.

К недостаткам можно отнести:

• наличие кривошипно-шатунного механизма;
• низкий КПД по сравнению с другими типами двигателей.

Применение в настоящее время

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.

Главное меню

Судовые двигатели

Паровой машиной называется тепловой двигатель, в котором по­тенциальная энергия расширяющегося пара преобразуется в меха­ническую энергию, отдаваемую потребителю.

С принципом действия машины ознакомимся, воспользовавшись упрощенной схемой фиг. 1.

Внутри цилиндра 2 находится поршень 10, который может пере­мещаться вперед и назад под давлением пара; в цилиндре имеются четыре канала, которые могут открываться и закрываться. Два верх­них пароподводящих канала 1 и 3 соединены трубопроводом с паро­вым котлом, и через них в цилиндр может поступать свежий пар. Через два нижних капала 9 и 11 пар, уже совершивший работу, выпускается из цилиндра.

На схеме показан момент, когда каналы 1 и 9 открыты, каналы 3 и 11 закрыты. Поэтому свежий пар из котла по каналу 1 поступает в левую полость цилиндра и своим давлением перемещает поршень вправо; в это время отработавший пар по каналу 9 из правой полости цилиндра удаляется. При крайнем правом положении поршня каналы 1 и 9 закрыты, а 3 для впуска свежего пара и 11 для выпуска отработавшего пара открыты, вследствие чего поршень переместится влево. При крайнем левом положении поршня открываются каналы 1 и 9 и закрываются каналы 3 и 11 и процесс повторяется. Таким образом, создается прямолинейное возвратно-поступательное движе­ние поршня.

Для преобразования этого движения во вращательное приме­няется так называемый кривошипно-шатунный механизм. Он состоит из поршневого штока- 4, соединенного одним концом с поршнем, а другим шарнирно, посредством ползуна (крейцкопфа) 5, скользящего между направляющими параллелями, с шатуном 6, который передает движение, на коренной вал 7 через его колено или кривошип 8.

Величина вращающего момента на коренном валу не является постоянной. В самом деле, силу Р , направленную вдоль штока (фиг. 2), можно разложить на две составляющие: К , направленную вдоль шатуна, и N , перпендикулярную к плоскости направляющих параллелей. Сила N не оказывает никакого влияния на движение, а только прижимает ползун к направляющим параллелям. Сила К передается вдоль шатуна и действует на кривошип. Здесь ее опять можно разложить на две составляющие: силу Z , направленную по радиусу кривошипа и прижимающую вал к подшипникам, и силу Т , перпендикулярную к кривошипу и вызывающую вращение вала. Величина силы Т определится из рассмотрения треугольника AKZ. Так как угол ZAK = ? + ?, то

Т = К sin (? + ?).

Но из треугольника ОКР сила

K= P/ cos ?

T= Psin ( ? + ?) / cos ? ,

При работе машины за один оборот вала углы ? и ? и сила Р непрерывно меняются, а поэтому величина крутящей (тангенциаль­ной) силы Т также переменна. Чтобы создать равномерное вращение коренного вала в течение одного оборота, на него насаживают тяжелое колесо-маховик, за счет инерции которого поддерживается постоян­ная угловая скорость вращения вала. В те моменты, когда сила Т возрастает, она не может сразу же увеличить скорость вращения вала, пока не ускорится движение маховика, чего не происходит мгновенно, так как маховик обладает большой массой. В те моменты, когда работа, производимая крутящей силой Т , становится меньше работы сил сопротивления, создаваемых потребителем, маховик опять-таки в силу своей инерции не может сразу уменьшить свою ско­рость и, отдавая полученную при своем разгоне энергию, помогает поршню преодолевать нагрузку.

При крайних положениях поршня углы ? + ? = 0, поэтому sin (? + ?) =0 и, следовательно, Т = 0. Так как вращающее уси­лие в этих положениях отсутствует, то, если машина была бы без маховика, сна должна была бы остановиться. Эти крайние положения поршня называются мертвыми положениями или мертвыми точками. Через них кривошип переходит также за счет инерции маховика.

При мертвых положениях поршень не доводится до соприкоснове­ния с крышками цилиндра, между поршнем и крышкой остается так называемое вредное пространство. В объем вредного прост­ранства включается также объем паровых каналов от органов парорас­пределения до цилиндра.

Ходом поршня S называется путь, проходимый поршнем при перемещении из одного крайнего положения в другое. Если расстояние от центра коренного вала до центра пальца кривошипа — радиус кривошипа — обозначить через R, то S = 2R.

Рабочим объемом цилиндра V _h называется объем, описываемый поршнем.

Обычно паровые машины бывают двойного (двухстороннего) действия (см. фиг. 1). Иногда применяются машины односторон­него действия, в которых пар оказывает давление на поршень только со стороны крышки; другая сторона цилиндра в таких маши­нах остается открытой.

В зависимости от давления, с которым пар покидает цилиндр, машины разделяются на выхлопны е, если пар выходит в атмо­сферу, конденсационные, если пар выходит в конденсатор (холодильник, где поддерживается пониженное давление), и тепло фикационные, у которых отработавший в машине пар исполь­зуется для каких-либо целей (отопление, сушка и пр. )

Wednesday , Aug 07th

Last update 08:30:58 AM GMT

Паровой двигатель, принцип работы

Паровые двигатели были установлены и приводили в движение большую часть паровозов в период начала 1800 и вплоть до 1950 годов прошлого века. Хочется отметить, что принцип работы этих двигателей всегда оставался неизменным, несмотря на изменение их конструкции и габаритов.

На анимированной иллюстрации приведен принцип работы парового двигателя.

Для генерации подаваемого на двигатель пара использовались котлы, работающие как на дровах и угле, так и на жидком топливе.

Первый такт

Пар из котла поступает в паровую камеру, из которой через паровую задвижку-клапан (обозначена синим цветом) попадает в верхнюю (переднюю) часть цилиндра. Давление, создаваемое паром, толкает поршень вниз к НМТ. Во время движения поршня от ВМТ к НМТ колесо делает пол оборота.

Выпуск

В самом конце движения поршня к НМТ паровой клапан смещается, выпуская остатки пара через выпускное окно, расположенное ниже клапана. Остатки пара вырываются наружу, создавая характерный для работы паровых двигателей звук.

Второй такт

В то же самое время, смещение клапана на выпуск остатков пара открывает вход пара в нижнюю (заднюю) часть цилиндра. Созданное паром в цилиндре давление заставляет поршень двигаться к ВМТ. В это время колесо делает еще пол оборота.

Выпуск

В конце движения поршня к ВМТ остатки пара освобождаются через все то же выпускное окно.

Цикл повторяется заново.

Паровой двигатель имеет т.н. мертвую точку в конце каждого хода, когда клапан переходит от такта расширения к выпуску. По этой причине каждый паровой двигатель имеет два цилиндра, что позволяет запускать двигатель из любого положения.

Определение парового двигателя | Типы и принцип работы паровой машины

ЧТО ТАКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛИ?

Паровая машина — устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую энергию, а тепло подается в двигатель посредством пара. Это машина, в которой в качестве рабочего тела используется пар. Паровая машина работает по принципу первого закон термодинамики, согласно которому работа и тепло взаимозаменяемы. Это очень простое определение парового двигателя.

В паровой машине есть цилиндр с поршнем. Затем пар из котла поступает в цилиндр двигателя, и цилиндр воздействует на поршень, который тем самым совершает возвратно-поступательное движение поршня. Таким образом, тепловая энергия пара преобразуется в механическую работу, поэтому он называется Поршневой паровой двигатель .

Первый паровой двигатель был изобретен в 1712 году Томасом Ньюкоменом и его помощником Джоном Калли.

КАК СДЕЛАТЬ ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ?

В паровой машине перегретый пар высокого давления из котла подается в паровой короб. Здесь D-образный клапан V, называемый D-золотником, перемещается туда и сюда в паровой камере, и этот клапан регулирует подачу пара в цилиндр двигателя, приводимый в действие механизмом E, называемым эксцентриком, который расположен на коленчатом валу. Есть два разных порта А и В, через которые пар вводится в цилиндр с двух сторон от поршня, а К — выпускной порт, через который пар выводится из цилиндра.

Когда золотниковый клапан D перемещается вправо, пар из паровой камеры поступает с левой стороны через порт A. Этот пар под высоким давлением толкает поршень к правой стороне конца кривошипа. Это называется прямым ходом поршня. При движении поршня крейцкопф перемещается вправо, тем самым толкая шатун, который также толкает кривошип вправо. Теперь кривошип и коленчатый вал вращаются по часовой стрелке, как показано на рисунке.

Когда поршень находится в крайней правой части или ближе к торцевой крышке кривошипа, V-образный клапан перемещается влево и открывает паровой порт B, через который пар поступает в цилиндр. Таким образом, поршень теперь движется влево или от кривошипа. Это называется обратным ходом поршня. Поршень начинает двигаться влево, и левый пар выходит из цилиндра через выпускной порт K через порт A.

Опять же, когда поршень находится в крайнем левом положении, клапан V начинает двигаться в правом направлении и открывает порт A. В результате пар поступает в цилиндр через порт A, и поршень начинает двигаться в правильном направлении. Теперь пар правого цилиндра выходит из цилиндра через выпускное отверстие K через отверстие B.

Таким образом, поршень движется вперед и назад в камере цилиндра и циркулирует через коленчатый вал через поршневой шток, шатун и кривошип. Этот процесс происходит постоянно, и поэтому работает паровая машина. В конце каждого такта поршень меняет направление движения и на мгновение останавливается. Это называется мертвыми точками кривошипа. Вышеупомянутая паровая машина называется 9.0005 Одноцилиндровый горизонтальный поршневой паровой двигатель двойного действия .

ТИПЫ ПАРОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Паровые двигатели относятся к разным категориям. Здесь мы обсудим некоторые важные категории:

1. В соответствии с положением цилиндра:-

a. Горизонтальная паровая машина: когда ось находится в горизонтальном положении в паровой машине, она называется горизонтальной паровой машиной.

б. Вертикальный паровой двигатель: если ось находится в вертикальном положении в паровом двигателе, это называется вертикальным паровым двигателем.

2. По количеству рабочих ходов:-

а. Паровой двигатель одинарного действия: когда пар поступает с одной стороны поршня и производит один рабочий ход при каждом обороте коленчатого вала, называется паровым двигателем одностороннего действия.

б. Паровой двигатель двойного действия: когда пар поступает с обеих сторон поршня и производит двойной рабочий ход на каждом обороте, называется паровым двигателем двойного действия. Он производит двойную мощность, чем паровой двигатель одностороннего действия.

3. По количеству цилиндров, в которых расширяется пар:-

а. Простая паровая машина: Когда расширение пара осуществляется в одном цилиндре, это называется простой паровой машиной.

б. Составной паровой двигатель: когда расширение пара осуществляется в двух или более цилиндрах, называется составным паровым двигателем.

4. В зависимости от типа выхлопа:-

а. Конденсационный паровой двигатель: когда пар выпускается в конденсаторе, называемом конденсационным паровым двигателем.

б. Паровой двигатель без конденсации: когда пар выбрасывается в атмосферу, называется паровой двигатель без конденсации.

5. По способу управления:-

а. Дроссельный паровой двигатель: когда скорость парового двигателя регулируется дроссельным клапаном в паровой трубе, который регулирует давление пара в двигателе.

б. Паровой двигатель с автоматическим отключением: когда скорость парового двигателя регулируется автоматическим регулятором отключения, который регулирует давление пара в двигателе.

6. В зависимости от частоты вращения коленчатого вала:-

а. Низкоскоростная паровая машина: Когда скорость коленчатого вала ниже 100 оборотов в минуту, это называется тихоходной паровой машиной.

б. Паровой двигатель средней скорости: когда скорость коленчатого вала составляет от 100 до 250 оборотов в минуту, это называется паровым двигателем средней скорости.

в. Высокоскоростной паровой двигатель: Когда скорость коленчатого вала превышает 250 оборотов в минуту, это называется высокоскоростным паровым двигателем.

7. По области применения:-

а. Стационарный двигатель

б. Локомотив

c. Судовой двигатель

8. В соответствии с используемым клапанным механизмом:-

a. Двигатель с золотниковым клапаном

b. Corlis Valve Engine

9. Расширенный двигатель: —

10. Нерасширенный двигатель: —

Следующая страница ⇒

Что такое паровой двигатель? Определение, части, работа, схема, использование

Что такое паровой двигатель? Это очень распространенный вопрос для всех нас. В этой статье мы узнаем, основы, определение, части, принцип работы, преимущества, недостатки паровых двигателей.

Давайте исследовать!

Что такое паровой двигатель? Определение

Основы парового двигателя

Паровые двигатели на более ранних стадиях непрактичны для производства электроэнергии. Во время промышленной революции с более совершенными конструкциями они стали основным источником механической энергии.

Поскольку сгорание происходит вне цилиндра двигателя, многие паровые двигатели относятся к «Двигатели внешнего сгорания» .

Что такое определение частей парового двигателя, основы работы схемы

Тепловой цикл, используемый в паровых машинах, называется циклом Ренкина. Его также называют «поршневой паровой двигатель», так как поршень внутри цилиндра совершает возвратно-поступательное движение (туда и обратно).

Определение паровой машины

Тепловая машина, использующая пар в качестве рабочего тела для выполнения механической работы. Паровые двигатели используют силу, создаваемую давлением пара, чтобы заставить поршень двигаться вперед и назад в цилиндре.

Это движение преобразуется во вращательное с помощью шатуна и маховика. Таким образом, паровые машины выполняют полезную работу.

История парового двигателя

В 1781 году Джеймс Уатт подал заявку на патент на паровой двигатель, который обеспечивал питанием различное производственное оборудование. Стационарные паровые машины являются неотъемлемой частью промышленной революции.

Паровые двигатели также могут работать на тяговых двигателях и железнодорожных локомотивах.

Части парового двигателя и схема

Давайте посмотрим на простую схему паровых двигателей, чтобы получить простое представление о деталях парового двигателя,

Рабочая схема определения деталей парового двигателя

Теперь мы увидим все части паровой машины, короче, давайте исследовать!

Following are important parts of a single-cylinder reciprocating steam engine,

• Frame
• Cylinder
• Piston
• Steam chest
• D-slide valve
• Inlet and exhaust ports
• Piston rod
• Crosshead
• Шатун
• Коленчатый вал
• Эксцентрик
• Маховик
• Регулятор
• Эксцентриковый шток и шток клапана

XPH — ваш дом для запасных частей BMW, Audi, Ford Mustang, VW, Porsche и Nissan GTR.

Давайте попробуем вкратце разобраться во всех частях, чтобы иметь общее представление о деталях паровой машины.

Рама

Рама изготовлена ​​из тяжелого чугуна и поддерживает все неподвижные и подвижные части. Он опирается на фундамент двигателя и удерживает все детали двигателя в правильном положении.

Цилиндр

Представляет собой полый цилиндрический контейнер из чугуна. Поршень движется вперед и назад в полом контейнере под давлением пара. Оба конца цилиндра закрыты и герметичны для пара.

Детали парового двигателя цилиндр шток поршня крейцкопф Изображение Phil Sangwell, CC BY 2.0 через Wikimedia Commons

Поршень

Поршень представляет собой цилиндрический диск, который перемещается в цилиндре вперед и назад под действием давления пара. Его функция заключается в преобразовании тепловой энергии пара в механическую работу.

Паровая камера

Паровая камера представляет собой неотъемлемую часть цилиндра. Перегретый пар, поступающий из котла под высоким давлением (более 20 атм.), подается в паросборник. Затем этот пар подается в цилиндр с помощью D-образного золотникового клапана.

D-образный золотник

Этот клапан движется простым гармоническим движением в паровой камере. Он используется для выпуска пара из цилиндра.

Впускные и выпускные каналы

Эти порты используются для движения пара в корпусе цилиндра. Пар из паровой камеры поступает в цилиндр через впускные отверстия. Пар выпускается через выпускное отверстие после выполнения работы в цилиндре.

Шток поршня

Шток поршня представляет собой круглый шток, одна сторона которого соединена с поршнем, а другая сторона соединена с крейцкопфом. Он передает движение от поршня к траверсе.

Крестовина

Это соединение между штоком поршня и шатуном. Он используется для направления движения поршня и предотвращения изгиба поршня.

Шатун

Шатун изготовлен из кованой стали. Один ее конец соединен с траверсой, а другой с кривошипом. Он преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение кривошипа.

Коленчатый вал

Это главный вал двигателя с кривошипом. Кривошип работает по принципу рычага и создает вращательное движение вала.

Эксцентрик

Его функция заключается в обеспечении возвратно-поступательного движения золотникового клапана. Он изготовлен из чугуна и установлен на коленчатом валу.

Маховик

Маховик представляет собой тяжелое чугунное колесо, закрепленное на коленчатом валу. Предотвращает колебания двигателя и рывки коленчатого вала.

Детали парового двигателя Маховик

Регулятор

Регулятор поддерживает постоянную скорость при различных нагрузках. Это достигается за счет контроля количества или давления пара, подаваемого в паровые машины.

Эксцентриковый шток и шток клапана

Эксцентриковый шток из кованой стали преобразует вращательное движение коленчатого вала в возвратно-поступательное движение штока клапана. Шток клапана обеспечивает простое гармоническое движение D-задвижки. Он соединяет эксцентриковый стержень и D-образный золотник.

Весна пришла! Сэкономьте на нашем бестселлере WAGNER TUNING BMW F CHASSIS N55 CATTED DOWNPIPE

Работа парового двигателя

Давайте попробуем понять, как работает паровой двигатель,

• Эти двигатели работают по принципу первого закона термодинамики, согласно которому теплота и работа взаимопреобразовываются.
• Пар производится в котле, который поступает в паровой комод через вход.
• После входа пар поступает в цилиндр через порты P1 и P1, как показано на рисунке.
• D-образный золотник регулирует поток пара. Его положение зависит от положения эксцентрикового кривошипа.
• Поршень цилиндра совершает возвратно-поступательное движение за счет давления пара. Здесь пар расширяется и часть его тепловой энергии превращается в работу за счет движения поршня.
• Поскольку поршень соединен с шатунами, поршень передает свою мощность через шатуны.
• Затем коленчатый вал выполняет свою функцию и преобразует возвратно-поступательное движение шатунов во вращательное движение.
• Маховик помогает передавать мощность в постоянном темпе.
• От маховика происходит окончательная передача мощности.
• Расширенный пар может выходить через выпускное отверстие.
• Для достижения максимальной эффективности двигателя этот пар можно использовать для повышения температуры воды, необходимой для производства большего количества пара.

Посмотрите очень ХОРОШИЙ АНИМИРОВАННЫЙ видеоролик от Let’s Grow Up,

Типы паровых двигателей

Паровые двигатели классифицируются по следующему принципу:

• По количеству рабочих ходов
• По положению цилиндра
• По положению цилиндра
• По частоте вращения коленчатого вала
• По типу выхлопа
• По расширению пара в цилиндре двигателя
• В соответствии с методом управления

Давайте кратко рассмотрим все типы паровых двигателей,

В соответствии с количеством рабочих ходов

На основе количества рабочих ходов существует два типа паровых двигателей;

Паровая машина одностороннего действия s

Здесь пар может поступать с одной стороны поршня, и при каждом обороте коленчатого вала производится только один рабочий ход.

Паровая машина двойного действия s

Если пар поступает с обеих сторон поршня, то при каждом обороте коленчатого вала производится два рабочих хода. Говорят, что это паровая машина двойного действия. Этот двигатель производит двойную мощность по сравнению с первым двигателем.

Станьте экспертом «Зеленого пояса шести сигм», освоив такие концепции, как диаграмма «Рыбья кость»/Исикава, анализ первопричин, взаимосвязь и статистический анализ данных, работая над отраслевыми вариантами использования и проектами.

В зависимости от положения цилиндра

Два типа паровых двигателей в зависимости от положения цилиндра:

Горизонтальная паровая машина s

Здесь ось цилиндра горизонтальна.

Вертикальная паровая машина s

Имеет вертикальную ось цилиндра. Этот двигатель требует меньше площади пола.

Типы паровых двигателей вертикальные

По частоте вращения коленчатого вала

По частоте вращения коленчатого вала паровые машины подразделяются на три типа:

Тихоходный паровой двигатель s

Здесь частота вращения коленчатого вала меньше 100 об/мин (оборотов в минуту).

Среднескоростной паровой двигатель s

Скорость вращения коленчатого вала находится между 100 и 250 об/мин.

Высокоскоростной паровой двигатель s

Этот двигатель имеет скорость вращения коленчатого вала более 250 об/мин.

По типу выхлопа

Существует два типа паровых машин в зависимости от типа выхлопа.

Конденсационный паровой двигатель s

Паровой двигатель, в котором пар конденсируется в воду при давлении ниже атмосферного, называется конденсационным паровым двигателем.

Паровая машина без конденсации s

Паровая машина, в которой пар не конденсируется в воду и выбрасывается в атмосферу, называется паровой машиной без конденсации.

Присоединяйтесь к тысячам компаний, которые процветают благодаря интеллектуальной технологии электронного обучения LearnWorlds, отмеченной наградами поддержке и вдохновляющему контенту.

Согласно расширению пара в цилиндре двигателя

На основе этого критерия различают два типа паровых двигателей;

Простая паровая машина

Когда расширение пара происходит в одном цилиндре, а затем пар уходит в атмосферу или достигает конденсатора, такой тип двигателя называется простой паровой машиной.

Составной паровой двигатель

Когда расширение пара происходит в двух или более цилиндрах, этот тип двигателя известен как составной паровой двигатель.

Согласно методу управления

Управление применяется для контроля скорости двигателя. По способу управления различают два типа паровых машин.

Дроссельный паровой двигатель

Если дроссельный клапан используется в паровой трубе для управления скоростью двигателя, поскольку он регулирует давление пара в двигатель, двигатель с такой установкой называется дроссельным паровым двигателем.

Автоматическое отключение паровой машины

Когда мы контролируем скорость двигателя, контролируя давление пара с помощью регулятора автоматического отключения, это называется паровым двигателем с автоматическим отключением.

Преимущества паровой машины

• Они тише и имеют меньше вибраций.
• Уровень навыков, необходимых для его эксплуатации и обслуживания, низкий.
• Они экономичны в эксплуатации и обслуживании.
• Паровые двигатели имеют больший срок службы по сравнению с другими двигателями.
• Мы легко можем эксплуатировать 100-летний паровой двигатель паровозов, с другой стороны, тяжелее эксплуатировать двигатели внутреннего сгорания даже 20 лет.
• Можно использовать любой вид горючего топлива (мазут, уголь, природный газ или дрова).
• Паровой двигатель — мощная машина, он может пускать поезда, перевозить людей и грузы из одного места в другое.

Недостатки паровой машины

• Паровая машина имеет огромные размеры и вес, поэтому требует больше места на полу.
• Из-за большого веса его нельзя использовать для управления небольшими транспортными средствами, такими как автомобили и автобусы.
• Сразу не запускается. Во-первых, нам нужно произвести пар, который требует времени.
• Наиболее опасной частью паровой машины является ее котел. Это область высокого давления и температуры. Котел может взорваться из-за чрезмерного давления, поэтому безопасность паровых двигателей является проблемой.
• Имеет низкий КПД из-за низкой температуры пара, а также большая площадь поверхности подвержена потерям тепла.
• Больше времени уходит на его обслуживание.

Использование или применение парового двигателя

Давайте рассмотрим основные виды использования или применения паровых двигателей,

• Вначале паровые двигатели применялись для поршневых насосов.
• Затем для привода фабричных машин были внедрены ротационные паровые машины, в которых происходит преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное.
• С течением времени появляется паровой транспорт. Сюда входят поезда и тяговые двигатели.
• В эпоху промышленной революции паровые двигатели использовались для приведения в действие машин для технологических процессов.
• Их можно использовать в сельскохозяйственных целях, чтобы увеличить площадь обрабатываемой земли.
• Паровые двигатели малой мощности используются для приведения в действие паровых часов.

КПД паровой машины

КПД паровой машины можно получить, разделив выходную энергию в виде механической работы на входе в двигатель путем сжигания топлива.

КПД паровых двигателей = выход энергии в виде механической работы/вклад энергии при сжигании топлива

Как достичь наибольшего КПД?

Для достижения наибольшей эффективности температура пара должна быть максимально возможной (перегретый пар), а отвод отработанного тепла должен иметь как можно более низкую температуру. Более высокая эффективность также возможна, если пар расширяется до более низкого давления и температуры в паровых машинах.

• Практически паровые двигатели имеют очень низкий КПД (от 1 до 10 процентов), мы можем повысить его до 25 процентов, добавив конденсатор и применяя многократное расширение.
• Это означает, что паровые двигатели с конденсаторами более эффективны, чем паровые двигатели без них.
• В случае локомотивов выбрасываемый из атмосферы пар теряется.

Для электростанции с промежуточным перегревом пара и экономайзером тепловой КПД может быть увеличен до 40 процентов. Если мы используем отработанное тепло для отопления путем использования когенерации, мы можем сделать входную энергию полезной на целых 85-9%.0 процентов.

Безопасность паровых двигателей

Паровые двигатели состоят из некоторых важных частей, таких как котлы и сосуды под давлением. Они содержат огромное количество потенциальной энергии. Взрыв этих компонентов может нанести ущерб жизни людей и имуществу.

В прошлом было много несчастных случаев из-за взрыва котла. Режимы отказа включают избыточное давление в котле, неправильная конструкция, плохой материал, недостаточное количество воды в котле, а сосуды под давлением могут выйти из строя из-за ненадлежащей конструкции или обслуживания.

• Поэтому следует позаботиться о безопасности паровых двигателей.
• За паровым двигателем следует регулярно ухаживать и обслуживать.
• Не следует рисковать, чтобы двигатель продолжал работать, если замечено какое-либо необычное поведение.
• Компоненты должны быть правильно спроектированы и изготовлены.
• Следует использовать прочные материалы, способные выдерживать высокое давление.
• Использование свинцовых заглушек для предотвращения взрыва котла, при падении уровня воды свинец плавится и выходит пар. Таким образом, котел не будет перегреваться.
• Для усиления мер безопасности необходимо своевременно сообщать о любых произошедших инцидентах или авариях.

Курс автомобильной инженерии с высоким рейтингом

Автомобильная техника 101: Руководство для начинающих по ремонту автомобилей

Автомобильная техника: автомобильные основы и продвинутый уровень

Автомобильная техника; Гибридные электромобили

Сделай сам — диагностика электрооборудования автомобиля — начальный уровень

Сделай сам — диагностика электрооборудования автомобиля — средний уровень

Автомобильная техника; Common Rail Direct Injection (CRDI)

Основы двигателей внутреннего сгорания — двигатели внутреннего сгорания

Гибридные и электрические транспортные средства для начинающих ПОЛНЫЙ курс 2021

Автомобильная безопасность: понимание автомобильных аварий для начинающих

Гибридные автомобили: основы и принципы эксплуатации

7 к автомобильной технике – Performance

Automotive 102: Аккумулятор, система зарядки и система запуска

Заключение

Это краткое введение в паровые машины. Если у вас есть какие-либо вопросы относительно какой-либо части этой темы, не стесняйтесь обращаться к нам. Мы будем рады ответить.

Чтобы продолжить обучение, нажмите здесь, чтобы полностью понять монтаж котла, его работу, функции и конструкцию.

Ознакомьтесь с нашими интересными статьями,

Что такое термодинамика

Контрольный объем

Открытая закрытая и изолированная система

Интенсивные и экстенсивные свойства

Нулевой закон термодинамики

Солнечная энергия и солнечные панели

Цикл Брайтона

Цикл Ренкина

Справочные статьи

Как работает паровой двигатель

Как работает паровой двигатель двигатели, которые были хорошо известны своими характеристиками и качеством сборки и заслуживали того, чтобы их хорошо помнили, поскольку они охватили мир во время промышленной революции 18-го и 19-го веков. Паровые двигатели считаются одним из величайших изобретений на сегодняшний день. Эти двигатели являются прекрасным примером техники и техники.

Что приводит в действие паровые двигатели?

До начала 20-го века уголь был одним из самых популярных видов топлива и использовался во всем, например, в поездах, кораблях и паровых самолетах, которые были изобретены американским ученым по имени Сэмюэл П. Лэнгли, который был одним из первых соперников братьев Райт. . Самое лучшее в угле было то, что он был доступен в больших количествах внутри Земли и, следовательно, был сравнительно недорогим и широко доступным.

Вы когда-нибудь знали, что такое уголь? Уголь относится к органическому химическому веществу, полностью основанному на углеродном элементе. Обнаружено, что уголь образовался более миллионов лет назад из-за мертвых останков растений и животных, которые были погребены под скалами, выдавлены под давлением или приготовлены внутренним теплом земли. Вот почему его называют ископаемым топливом.

Для движения паровых двигателей требовалось много угля, так как уголь содержит вдвое меньше энергии на килограмм по сравнению с некоторыми ископаемыми видами топлива, такими как бензин, дизельное топливо и керосин.

Интересно отметить, как все устроено в паровозе. Внутри паровой машины уголь загружается в топку – своего рода металлический ящик, в котором горит уголь. Огонь на углях нагревает котел внутри локомотива, который приводит в движение двигатель.

Котел паровоза не похож на котел, но работает по тому же принципу, производя пар под высоким давлением. Котел имеет большой резервуар для воды, который может выдержать десятки металлических труб, проходящих через него. Трубки идут от топки к дымоходу, который несет с собой жар и дым от огня. Устройство, состоящее из труб котла, означает, что огонь двигателя может очень быстро нагревать воду в баке котла, чтобы производить пар очень быстро и с полной эффективностью. Вода, которая используется для производства пара, поступает либо из резервуаров, установленных сбоку от двигателя, либо извлекается из отдельного вагона, известного как тендер, который тянется за локомотивом.

Пар, образующийся в котле, стекает в цилиндр прямо перед колесами, которые толкают поршень и поршень вперед и назад. Внутри цилиндра есть небольшая механическая заслонка, которая называется впускным клапаном, предназначенным для пропуска пара. Поршень, отвечающий за движение, соединяется с колесами локомотива с помощью локтевого плечевого сустава руки, известного как как кривошип и шатун.

Как работают паровые двигатели?

Когда поршень толкает кривошип и шатун, он вращает колеса двигателя и дает мощность поезду. Как только поршень приблизился к концу цилиндра, его нельзя протолкнуть дальше. Эта тенденция удерживать поезд в движении приводит к тому, что кривошип толкает поршень обратно в цилиндр из того места, где он фактически сместился. После этого клапан подачи пара закрывается. Выпускной клапан открывается, когда поршень перемещает пар обратно через цилиндр из дымовой трубы двигателя. Шум, производимый паровой машиной, и дым, возникающий при движении поршня вперед и назад в цилиндре.

По обеим сторонам двигателя установлен цилиндр, и оба этих цилиндра работают немного больше, чем другой, чтобы обеспечить постоянную мощность, толкающую двигатель вместе с ним.

Одноцилиндровый паровой двигатель используется в качестве парового локомотива на трассе, который называется роторным паровым двигателем из-за функции поршня, заставляющей колесо вращаться. Раньше паровые машины работали совершенно по-другому, просто толкая поршень вверх и вниз в простом движении вперед и назад. Поршневые паровые машины использовались для откачки воды из затопленных угольных шахт еще в древности.

Паровой двигатель одностороннего действия

Это двигатели, в которых пар толкает поршень в одном направлении, а импульс локомотива приводит его в движение в другом направлении. Но оказалось, что это самая неэффективная конструкция, поскольку поршень приводится в действие только в половине случаев.

Паровой двигатель двойного действия

Это несколько сложные двигатели, но они намного лучше, поскольку в них используются дополнительные паровые трубы и клапаны, заставляющие пар перемещать поршень сначала в одну, а затем в другую сторону. Его также называют противоточным паровым двигателем.

Причина, по которой он более мощный, заключается в том, что пар все время приводит в движение поршень. Если правильно наблюдать за колесами типичного парового двигателя, можно заметить, что каждая деталь довольно сложна, чем это видно на изображениях, поскольку в двигателе гораздо больше сложности, чем просто кривошип или шатун. Он включает в себя набор рычагов, которые используются для точного перемещения вперед и назад. Это также известно как клапанный механизм.

Его основная задача — открывать и закрывать клапаны цилиндра в нужный момент, что помогает пару входить и выходить, чтобы двигатель работал максимально эффективно и мощно, что также позволяет ему двигаться. задний ход. Существуют различные типы клапанных механизмов. Один из самых популярных дизайнов среди всех известен как Walschaerts, который был назван в честь бельгийского изобретателя Эгида Вальшартса  

14 различных типов паровых двигателей [детали и работа]

В этом посте вы узнаете, что такое паровой двигатель и различные типы паровых двигателей , это деталей , работающих и многое другое.

Паровые машины и их типы

В паровых машинах в качестве рабочего тела используется пар. Эти двигатели работают по принципу первого закона термодинамики, т. е. теплота и работа взаимообратимы.

В поршневой паровой машине, поскольку тепловая энергия пара преобразуется в механическую работу за счет возвратно-поступательного движения поршня, ее также называют поршневой паровой машиной. Кроме того, поскольку сгорание топлива происходит вне цилиндра двигателя, его также называют двигателем внешнего сгорания.

Типы паровых двигателей

Паровые двигатели классифицируются разными учеными на разных основаниях.

Но основными являются следующие Типы паровых машин:

1. По числу рабочих ходов
   1. Паровая машина одностороннего действия
   2. Паровая машина двойного действия
2. По положению цилиндра
   1. Горизонтальная4 паровая машина 90 паровая машина
3. По частоте вращения коленчатого вала
   1. тихоходная паровая машина
   2. среднеоборотная паровая машина
   3. быстроходная паровая машина
4. According to the type of exhaust
   1. Condensing steam engine
   2. Non-condensing steam engine
5. According to the expansion of steam in an engine cylinder
   1. Simple steam engine
   2. Compound steam engine
6. По способу управления применяют
   1. Дроссель паровой машины
   2. Автомат отключения паровой машины

Читайте также: Паровые котлы: составные части, типы, классификация, преимущества, применение.

1. Паровая машина одностороннего действия

Пар вводится с одной стороны поршня, и при каждом обороте коленчатого вала производится один рабочий ход, называется паровой машиной одностороннего действия.

2. Паровая машина двойного действия

Пар поступает с обеих сторон поршня, и при каждом обороте коленчатого вала производятся два рабочих хода. Это известно как паровая машина двойного действия. Паровая машина двойного действия производит в два раза больше энергии, чем паровая машина одинарного действия.

3. Горизонтальная паровая машина

Когда ось цилиндра расположена горизонтально, это называется горизонтальной паровой машиной.

4. Вертикальная паровая машина

Когда ось цилиндра расположена вертикально, это называется вертикальной паровой машиной. Вертикальная паровая машина требует меньше площади пола, чем горизонтальная машина.

5. Тихоходный паровой двигатель

Когда скорость коленчатого вала меньше 100 оборотов в минуту (об/мин), он называется тихоходным паровым двигателем.

6. Среднеоборотный паровой двигатель

При частоте вращения коленчатого вала от 25 до 100 об/мин. это называется среднескоростной паровой двигатель.

7. Высокоскоростной паровой двигатель

Аналогичным образом, когда скорость вращения коленчатого вала превышает 250 об/мин, он называется высокоскоростным паровым двигателем.

9. Конденсационный паровой двигатель

Когда пар после совершения работы в цилиндре поступает в конденсатор, который конденсирует пар в воду при давлении ниже атмосферного, говорят, что это конденсационный паровой двигатель.

10. Паровая машина без конденсации

Когда пар после выполнения работы в цилиндре выбрасывается в атмосферу, говорят, что это паровая машина без конденсации. Поэтому давление пара в цилиндре не должно падать ниже атмосферного давления.

11. Простая паровая машина

Когда пар расширяется в один цилиндр, а затем выбрасывается в атмосферу или в конденсатор, это называется простой паровой машиной.

12. Составная паровая машина

Расширение пара осуществляется в двух или более цилиндрах, двигатель известен как составной паровой двигатель. Составные паровые двигатели обычно представляют собой конденсационные двигатели. Но некоторые из них могут быть и без конденсации.

13. Дроссельная паровая машина

Когда скорость двигателя регулируется с помощью дроссельного клапана в паровой трубе, который регулирует давление пара в двигателе, это называется дроссельной паровой машиной.

14. Автоматическое отключение паровой машины

С помощью регулятора автоматического отключения скорость регулируется путем контроля давления пара, он известен как паровой двигатель с автоматическим отключением.

Детали паровых машин

Все части паровой машины можно условно разделить на две группы, т. е. неподвижные части и движущиеся части. хотя паровая машина состоит из многих частей, как неподвижных, так и подвижных, но

Важными являются следующие частей паровой машины:

1. Frame
2. Cylinder
3. Steam Chest
4. D-Slide Valve
5. Inlet and Exhaust Parts
6. Piston
7. Piston Rod
8. Cross-head
9. Connecting Rod
10. Crankshaft
11. Eccentric
12. Eccentric Rod and Valve Rod
13. Маховик
14. Регулятор

1.

Рама

Это тяжелая чугунная деталь, которая поддерживает все с, а также движущиеся части и удерживает их в правильном положении. Он, как правило, опирается на фундаменты двигателя.

2. Цилиндр

Представляет собой чугунный цилиндрический полый сосуд, в котором поршень движется вперед и назад под давлением пара. Оба конца цилиндра герметизированы и сделаны паронепроницаемыми. В небольших паровых машинах цилиндр является составной частью рамы.

3. Пароварка

Отлита как неотъемлемая часть цилиндра. Он подает пар в цилиндр при движении D-золотника.

4. D-образный золотник

D-образный золотник перемещается в паровой камере простым гармоническим движением. Его функция состоит в том, чтобы в нужный момент выбрасывать выхлопной пар из цилиндра.

5. Впускная и выпускная части

Впускная и выпускная части представляют собой отверстия, предусмотренные в корпусе цилиндра для движения пара . Пар поступает из паровой камеры попеременно в обе стороны цилиндра через впускные отверстия. Выполнив свою работу в цилиндре, пар выбрасывается через выпускное отверстие.

6. Поршень

Представляет собой цилиндрический диск, двигающийся вперед и назад в цилиндре под действием давления пара. Работа поршней заключается в преобразовании тепловой энергии пара в механическую работу. Поршневые кольца изготовлены из чугуна и устанавливаются в канавки поршня. Их цель – предотвратить утечку пара.

7. Шток поршня

Представляет собой круглый шток, соединенный с поршнем с одной стороны и крейцкопфом с другой. Его функция заключается в передаче движения от поршня к траверсе.

8. Крестовина

Является связующим звеном между штоком поршня и шатуном. Его функция заключается в управлении движением штока поршня и предотвращении его изгиба.

9. Шатун

Изготовлен из кованой стали, один конец которого соединен с крейцкопфом, а другой с кривошипом. Его функция заключается в преобразовании возвратно-поступательного движения поршня (или крейцкопфа) во вращательное движение кривошипа.

10. Коленчатый вал

Это вал двигателя с кривошипом. Кривошип работает по принципу рычага и производит вращательное движение вала. Коленчатый вал удерживается на коренных подшипниках двигателя.

11. Эксцентрик

Обычно изготавливается из чугуна и устанавливается на коленчатый вал. Его работа заключается в создании возвратно-поступательного движения к золотнику.

12. Эксцентриковый шток и шток клапана

Эксцентриковый шток изготовлен из кованой стали, один конец прикреплен к эксцентрику, а другой к штоку клапана. Его функция заключается в преобразовании вращательного движения коленчатого вала в возвратно-поступательное движение штока клапана. Шток клапана прикрепляет эксцентриковый шток и D-образный золотник. Его функция заключается в обеспечении простого гармонического движения D-задвижки.

13. Маховик

Маховик представляет собой тяжелое чугунное колесо, прикрепленное к коленчатому валу. Его функция заключается в предотвращении колебаний двигателя. Это также предотвращает рывки коленчатого вала.

14. Регулятор

Регулятор – это устройство, которое поддерживает более или менее постоянную скорость вращения двигателя в условиях нагрузки. Это делается либо путем регулирования величины давления пара, подаваемого в двигатель.

Принцип работы

Принцип работы одноцилиндровой горизонтально-поршневой паровой машины двойного действия:

Основные части одноцилиндровой горизонтально-поршневой паровой машины двойного действия показаны на рисунке.

Перегретый пар под высоким давлением (около 20 атм) из котла подается в паросборник. После этого пар поступает в цилиндр через любое из отверстий «а» или «б» в зависимости от положения D-золотника.

Когда порт «а» открыт, пар устремляется к левой стороне поршня и толкает его вправо. На этом этапе золотниковый клапан закрывает выпускное отверстие и другое отверстие для пара, как показано на рисунке. Так как давление пара слева больше, чем справа, поршень движется вправо.

Когда поршень приближается к концу цилиндра, он закрывает паровой порт «а» и выпускной канал. Отверстие «b» теперь открыто, и пар проходит к правой стороне поршня.

Это толкает поршень влево, и в то же время выхлопной пар выходит через выхлопную трубу и, таким образом, завершает рабочий цикл. Тот же процесс повторяется в других циклах работы, и в таком виде двигатель работает.

Примечание

В конце каждого хода поршень меняет направление движения и на мгновение останавливается. Кривошип идет на одной линии с поршневым штоком. Крайние левое и правое положения кривошипа, при которых шток поршня не имеет тенденции к вращению на главном валу, называются мертвыми точками кривошипа.

Вот и все, спасибо за чтение, если вам понравилась эта статья « типов паровых двигателей », поделитесь ею с друзьями. Есть вопросы, чтобы задать оставить комментарий.

Полезные ссылки:

• Цилиндры одностороннего и двустороннего действия

Как паровой двигатель локомотивного завода

Мухаммад Фадхли Мустаффа и Ахмад Лютфи Мохайддин

В этом разделе мы рассмотрим, Принцип работы паровой машины, используемой в локомотивах. В основном твердое топливо, такое как уголь, сжигается для нагрева воды. Когда становится достаточно жарко, вода конденсируется в пар. Давление пара толкает поршни, которые, следовательно, приводят в движение шестерни и колеса, тем самым приводя в движение локомотив.

Поток пара и газов

 Твердое топливо сжигается на решетке внутри топки. Первичный воздух поступает под колосниковую решетку и направляется к топке, а вторичный воздух поступает через дверцу топки. Свод из огнеупорного кирпича удлиняет путь горячих газов от сжигания топлива, чтобы обеспечить полное сгорание. Затем горячие газы проходят через длинные трубы в котле в дымовую камеру и выходят из локомотива через дымоход.

Тепло от топки нагревает воду в котле. Вода также нагревается за счет тепла горячих газов, проходящих по длинным трубкам. Когда вода нагревается, она превращается в насыщенный пар, который собирается над водой. Клапан-регулятор, контролирующий подачу пара в цилиндры, расположен в куполе. В верхней части котла также есть предохранительные клапаны для выпуска пара, если давление поднимается до опасного уровня.

Насыщенный пар поступает по главному паропроводу в коллектор пароперегревателя. Затем он проходит по трубам пароперегревателя в котле, где нагревается. Выйдя из этих труб через коллектор пароперегревателя, он станет перегретым паром. Затем чрезвычайно горячий пар поступает по паровым трубам в цилиндры, где его давление приводит в движение поршни, приводящие в движение колеса локомотива.

В дымовой камере отработавший пар проходит через пламенную трубу в дымоход с высокой скоростью из-за закрытого вентиляционного отверстия факельной трубы. Это создает частичный вакуум в дымовой камере, который обеспечивает подачу воздуха в топку и обеспечивает вывод горячих газов из топки через трубы в котле.

Работа клапана и поршня

В паровой машине движение клапана обеспечивает поступление пара в цилиндр и выпуск его из него в нужный момент. Для типичного цилиндра с двумя портами функция клапана состоит в том, чтобы впускать перегретый пар на одном конце, позволяя отработанному или отработанному пару выходить на другом. В результате последовательного закрытия и открытия этих отверстий поршень толкается вперед и назад паром высокого давления из котла. Для регулирования движения клапана используется механическая система привода клапана, которая более подробно обсуждается в следующих подразделах.

Чтобы узнать, как клапан влияет на скорость локомотива, мы должны понять несколько терминов, которые распространены среди машинистов и энтузиастов паровозов. Перекрытие относится к количеству перекрытия между клапаном и портом. В медленно движущихся локомотивах длинный круг на выпускном отверстии дает время, чтобы пар, попавший в цилиндр, полностью расширился, чтобы толкнуть поршень. С другой стороны, на высокоскоростных локомотивах выпускное отверстие открывается рано (короткий круг), когда клапан находится в среднем положении, что позволяет пару выходить быстрее. Кроме того, более высокоскоростные локомотивы также имеют большое опережение, что означает, что впускное отверстие уже открыто, когда поршень находится в конце своего движения, поэтому существует достаточное давление пара, которое немедленно оттолкнет поршень назад, чтобы начать его следующее движение.

Отсечка обозначает положение поршня в тот момент, когда клапан закрывает впускное отверстие. Когда двигатель работает тяжело и медленно, длительная отсечка пропускает пар на большую часть хода поршня. На быстроходных локомотивах это вызовет противодавление в котле. Чтобы избежать ненужного противодавления, отсечка уменьшена, так что пар поступает только на 20% хода поршня, а оставшаяся часть хода происходит за счет расширения пара высокого давления.

Индикаторная диаграмма, подобная приведенной выше, использовалась инженерами-парововозами в эпоху пара для оценки эффективности локомотива в преобразовании энергии пара в полезную мощность при различных скоростях и режимах отсечки. Горизонтальная линия ОА показывает давление при входе пара в цилиндр. При отсечке давление падает по мере того, как пар расширяется и толкает поршень. После того, как выпускное отверстие открывается, линия меняет направление (CD), указывая на начало обратного хода поршня. Он показывает низкое давление по мере выпуска пара. В линии DE в конце обратного хода регистрируется повышение давления из-за сжатия оставшегося пара после закрытия выпускного отверстия. Когда в цилиндр поступает свежий пар, давление снова поднимается до точки О, и цикл повторяется.

Система Walschaert

Клапанный механизм локомотива позволяет машинисту выбирать отключение подачи пара и реверсировать локомотивы. Одной из наиболее распространенных систем клапанного механизма, используемых на локомотивах, построенных в Великобритании, является система Вальшарта, которая была впервые запатентована в 1844 году бельгийским инженером Эгидом Вальшартом. Впервые он появился на британской железной дороге в 1878 году. Он не пользовался популярностью в Великобритании до двадцатого века, но теперь он считается лучшей конструкцией клапанного механизма из-за простоты обслуживания.

В этой системе движение штока клапана вперед-назад зависит от комбинированного движения комбинированного рычага и расширительного звена. Движение комбинированного рычага осуществляется крейцкопфом на конце штока поршня. Он соединен с расширительным звеном радиусным стержнем. Движение звена расширения получается от его соединения с эксцентричной дорогой. Другой конец эксцентриковой дороги, прикрепленный к оси кривошипа, вызывал маятниковое движение расширительного звена.

Регулируя положение радиусного стержня в расширительном звене, мы можем отрегулировать длину хода шпинделя клапана. Это можно сделать, подняв или опустив реверсивную тягу из кабины. Для достижения максимального хода клапана (наибольшая отсечка и максимальный вход пара) радиусный стержень располагается дальше всего от центра расширительного звена. С другой стороны, перемещение радиусного стержня вверх и вниз от одной половины расширительного звена меняет направление движения локомотива.

Нравится:

Нравится Загрузка…

Паровые двигатели

ПАРОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Паровой двигатель также является тепловым двигателем, как и бензиновый, но относится к категории двигателей внешнего сгорания. Это связано с тем, что сжигание топлива происходит вне двигателя в котле. Теплота сгорания используется для испарения воды в пар. Пар содержит много тепловой энергии. Паровая машина преобразует тепловую энергию пара в механическую энергию. Таким образом, паровой двигатель является первичным двигателем и в прошлом широко использовался в автомобилях, локомотивах, морских судах, насосных станциях, энергетике и т. д. Появление I.C. двигатели уступили паровым двигателям за счет более высокого теплового КПД и лучших характеристик первых. Однако в последнее время паровые двигатели снова появляются в этой области из-за их более низкого уровня шума и меньшего загрязнения атмосферы.

Джеймс Уатт (1736-1819), шотландский инженер, изобретатель паровой машины. Он состоит из цилиндра, в котором работает поршень двойного действия. Под поршнем двойного действия подразумевается, что обе поверхности поршня являются рабочими сторонами. Давление пара действует на эти грани попеременно. Когда одно лицо работает, другое утомляет. Рабочие давления и температуры внутри цилиндра сравнительно ниже, чем в I.C. двигатели и по этой причине обычные сплавы C.I. используются в цилиндрических материалах.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ДЕТАЛИ ПОРШНЕВОЙ ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛЯ ДВУХДЕЙСТВИЯ:

На рисунке показаны основные элементы или основные компоненты простой горизонтальной поршневой паровой машины двойного действия.

ОСНОВНЫЕ ЧАСТИ ИЛИ КОМПОНЕНТЫ ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛИ И ИХ ФУНКЦИИ:

1. Цилиндр : Изготовлен из чугуна. В нем находится поршень. Оба конца цилиндра выполнены паронепроницаемыми. Конец цилиндра, расположенный ближе к кривошипу, называется концом кривошипа, а тот, который удален от кривошипа, называется концом крышки.

2. Пароварка : встроена в цилиндр. Он получает пар от котла и подает его в цилиндр.

3. D-образный золотник : Это клапан, который закрывает и открывает впускные отверстия. Он совершает возвратно-поступательные движения в паровой камере простым гармоническим движением: Он напоминает букву D, отсюда и название. Он выпускает пар из цилиндра. Он приводится в действие эксцентриковым стержнем.

4. Порты : Это отверстия или проходы в корпусе цилиндра. Пар поступает в цилиндр из паровой камеры через впускные отверстия попеременно с любой стороны поршня. После выполнения работы пар выбрасывается через выпускное отверстие.

5. Поршень : Это возвратно-поступательный элемент в форме круглого диска внутри цилиндра. Давление пара, действующее на движение поршня, указывает на работу, совершаемую паром. К.И. поршневые кольца насажены на поршень. Поршень с поршневыми кольцами обеспечивает практически паронепроницаемое скользящее соединение в цилиндре.

6. Шток поршня : Соединяет поршень с крейцкопфом. Он передает нагрузку на поршень и передает движение от поршня. Он изготовлен из мягкой стали и должен выдерживать быстрые чередования растягивающих и сжимающих напряжений.

7. Крестовина : Это соединение между поршневым штоком и шатуном. Он совершает возвратно-поступательные движения между неподвижными направляющими. Предотвращает коробление штока поршня.

8. Шатун : Это соединение между крейцкопфом и коленчатым валом. Он действует как стяжка и распорка из-за действующих на него растягивающих и сжимающих сил. Он также подвергается короблению и изгибу между своими концами. Изготавливается из кованой стали и может иметь круглое, прямоугольное или двутавровое сечение. Его функция заключается в преобразовании возвратно-поступательного движения крейцкопфа во вращательное движение коленчатого вала. Он колеблется между своими концами.

9. Эксцентрик : Чугунный элемент, установленный на коленчатом валу. Он обеспечивает возвратно-поступательное движение D-образного золотника через эксцентрик и стержни клапана.

10. Сальник : Он расположен на конце кривошипа цилиндра, а другой — на конце паровой камеры. Он предотвращает выход пара в атмосферу и обеспечивает герметичное уплотнение.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛИ :

Работу паровой машины можно хорошо объяснить со ссылкой на различные события, происходящие во время ее работы.

На рисунке показана индикаторная диаграмма (график зависимости давления от объема по длине хода). Это полезно для объяснения различных операций следующим образом.

1. Впускное отверстие открывается движением золотникового клапана. Пар поступает в цилиндр из паровой коробки. Он оказывает давление или усилие на крышку поршня и на цилиндр.

2. Поршень находится в крайнем положении по направлению к концу крышки. Входной порт закрыт.

3. Подача пара полностью отключена. Пар расширяется, совершая работу над поршнем. Эта работа передается от поршня к кривошипу (валу) через поршневой шток, крейцкопф и шатун по порядку.

4. Золотниковый клапан открывает цилиндр к выпускному отверстию. Давление в этот момент немного больше, чем давление выхлопа. Давление падает при постоянном объеме (4) — (5) до тех пор, пока не уменьшится до выхлопного пред., отработавший пар проходит через выхлопное отверстие и выхлоп продолжается до (6).

От (6) до (1) оставшийся в цилиндре пар слегка сжимается до давления на входе, соответствующего (1).

В двигателе двойного действия, когда поршень приближается к кривошипу цилиндра, открывается второе отверстие и поступает свежий пар. Он толкает поршень к торцу крышки, способствуя эффективному выпуску предыдущего заряда.

СОЕДИНИТЕЛЬНАЯ ПАРОВАЯ ДВИГАТЕЛЬ:

В современной практике паровых двигателей используется пар высокого давления, поскольку он обеспечивает более высокий КПД, а установка требует меньше места на развиваемую мощность кВт. Но считается нежелательным, если пар расширяется от высокого давления до атмосферного или давления конденсатора в одном цилиндре. В таком случае требуется надежный двигатель с большой длиной хода и тяжелым маховиком.

Скажем, например, пар при давлении 16 бар должен быть расширен до 0,2 бар, вместо осуществления этого процесса в одном цилиндре, двигатель может иметь две или более ступени или цилиндра. В этом примере расширение с 16 бар до 2 бар может происходить в цилиндре высокого давления (ВД) и с 2 до 0,2 бара в другом цилиндре, называемом цилиндром низкого давления (НД). Такая операция называется компаундированием.

Методы компаундирования:

В тандемном компаундировании два поршня имеют общий шток, кривошип и шатун. Пар после расширения m л.с. цилиндр входит в цилиндр низкого давления для дальнейшего расширения. Этот тип двигателя требует относительно тяжелого маховика.

В компаундировании Woolf кривошипы расположены на 1800. В этом типе также пар после расширения в л.