Вакуумная паровая машина – Паровой двигатель — это… Что такое Паровой двигатель?

Содержание

Проект вакуумной машины — Паровые двигатели

Добрый день!

 

Постепенно зреет проект вакуумной машины. Цель — малая электрификация. В обычной машине с выхлопом в атмосферу при 3 атм. избыточного давления вода испаряется при 140С, а конденсируется, можно считать, при 100С. Перепад 40С, КПД Карно = 9,69%. Представим себе машину, в которой вода испаряется при 100С, а конденсируется при 60С (давление насыщенного пара 0,2ата, если Кошкин-Ширкевич не врёт). Перепад температур — такой же, КПД Карно — 10,7%.Т.е., паровая машина с перепадом 100-60С теоретически должна работать не хуже, чем машина с перепадом 140-100С В чём отличие? Объём пара на входе в машину примерно в 4, а на выходе — в 5 раз больше, значит, нужна машина большего размера. Негерметичность машины и попадание в неё воздуха приведёт к остановке. Зато котёл можно сделать в виде обычного чайника, кипящего на огне, и он не взорвётся. Обычный чайник, стоящий на газовой плите, принимает тепловую мощность порядка 2кВт, т.е. при КПД машины в 5% его достаточно для машины в 100ватт. Сложность разработки переносится на конденсатор, но в нём нет давления и он не опасен! Воду с температурой 60С всё ещё можно использовать для хозяйственных нужд.

 

Хочется сделать конденсатор, в котором охлаждающая вода будет поступать в замкнутый сосуд, стекать там по насадке или тарелкам, навстречу ей будет двигаться пар. Из нижней части конденсатора вода будет откачиваться насосом, а из верхней части будут откачиваться неконденсирующиеся газы, если они вдруг туда попадут.

 

В такой машине самая главная деталь — это, безусловно, конденсатный «насос», а точнее, комбинация поршневого гидродвигателя, который впускает охлаждающую воду в конденсатор с совершением полезной работы, и использует эту работу для откачки другой порции уже подогретой и смешанной с конденсатом воды из конденсатора с помощью поршневого насоса. Недостающую работу покрывает привод.

 

Ищем единомышленников, слушаем критиков.

Изменено пользователем denis2

www.chipmaker.ru

Движимые паром. История паровых машин / Аналитика

Поставить пар на службу человечеству люди смогли лишь в самом конце XVII века. Но еще в начале нашей эры древнегреческий математик и механик Герон Александрийский наглядно показал, что с паром можно и нужно дружить. Наглядным подтверждением тому стал Героновский эолипил, фактически, первая паровая турбина — шар, который вращался силой струй водяного пара.

Эолипил Герона.

К великому сожалению, многие удивительные изобретения древних греков на долгие столетия были прочно забыты. Лишь к XVII столетию относится описание чего-то, похожего на паровую машину. Француз Соломон де Ко (Salomon de Caus), бывший одно время строителем и инженером у Фридриха V Пфальцского, в своем сочинении от 1615 года описал полый железный шар с двумя трубками: принимающей и выводящей жидкость. Если наполнить шар водой и подогреть, то по второй трубке вода начнет подниматься наверх, повинуясь воздействию паров.

В 1663 году уже англичанин Эдвард Сомерсет (Edward Somerset), маркиз Уорчестерский, написал брошюру, в которой рассказал о машине, могущей поднимать воду наверх. Тогда же Сомерсет получил патент («привилегию») на описанную машину.

Как видим, все мысли изобретателей Нового времени вращались вокруг выкачивания воды из шахт и копей, что, надо отметить, проистекало из насущной задачи. Поэтому неудивительно, что следующие три изобретателя, о которых пойдет речь ниже, также были в первую очередь озабочены созданием паровой машины для откачки воды.

Ближе к самому завершению XVII века два человека в Европе результативнее других работали над укрощением пара — Дени Папен (Denis Papin) и Томас Сэйвери (Thomas Savery).

«Огненная» машина Сэйвери.

Англичанин Сэйвери 2 июля 1698 года получил патент на машину для откачки воды из шахт. В патенте говорилось: «Жалуется привилегия Томасу Сэйвери за проведенное им одним испытания нового изобретения для подъема воды, вращения любых видов мельниц путем сил огня, что будет очень важно для осушения шахт, снабжения городов водой и вращения всех видов мельниц». Опытный образец под названием «Огненный мотор» (Fire engine) в 1699 году был выставлен напоказ в Королевском Научном обществе в Лондоне.

Машина Сэйвери функционировала таким образом: герметичный резервуар наполнялся паром, а после внешнюю поверхность резервуара охлаждали холодной водой, из-за чего пар конденсировался, создавая в резервуаре частичный вакуум. Затем вода со дна со дна шахты через заборную трубу засасывалась в резервуар и, после впуска новой порции пара, выталкивалась наружу через выпускную трубу.

Стоит отметить, что изобретение Сэйвери походило на машину Сомерсета, и многие полагают, что Сэйвери напрямую отталкивался от последней.

К сожалению, у «огненной» машины Сэйвери нашлись недостатки. Самый главный из них — невозможность поднимать воду с глубины более 15 метров, хотя в то время уже существовали шахты, чья глубина превышала 100 метров. Кроме того, машина потребляла очень много топлива, что не было оправдано даже близостью большого количества угля на шахте.

Француз Дени Папен, медик по образованию, в 1675 году переехал в Лондон. Папен сделал несколько открытий, которые навечно вписали его имя в историю. Для начала Папен изобретает скороварку — «Папенов котел». Бывший медик смог установить зависимость между давлением и температурой кипения воды. Герметичный котел с предохранительным клапаном благодаря повышенному давлению внутри доводил воду до кипения гораздо позже, поэтому температура обработки продуктов повышалась и последние готовились в разы быстрее.

В 1674 году Папен создал пороховой двигатель: в цилиндре воспламенялся порох, отчего поршень внутри цилиндра перемещался. Одна «партия» газов выпускалась из цилиндра через специальный клапан, а другая — охлаждалась. В цилиндре образовывался вакуум (пусть и слабенький), и атмосферное давление опускало поршень вниз.

Поршневая паровая машина Папена.

В 1698 году Папен изобретает паровую машину с применением воды, которая нагревалась внутри вертикального цилиндра — образовавшийся пар двигал поршень вверх. Затем цилиндр охлаждали водой, пар конденсировался и возникал вакуум. Все то же атмосферное давление заставляло поршень опускаться.

Несмотря на прогрессивность своей машины (наличие поршня), Папен не смог извлечь из нее каких-либо значимых дивидендов, поскольку Сэйвери запатентовал паровой насос, а других способов применения для паровых машин на тот момент не наблюдалось (хотя в патенте Сэйвери и указывалась возможность «вращения мельниц»). В 1714 году, в столице Британской империи, Папен скончался в нужде и одиночестве.

Гораздо более удачливым оказался другой англичанин — Томас Ньюкомен (Thomas Newcomen), родившийся в 1663 году. Ньюкомен внимательно ознакомился с работами и Сэйвери, и Папена, отчего смог понять слабые места прежних машин, одновременно взяв от них самое лучшее. В 1712 году вместе со стекольщиком и водопроводчиком Джоном Калли (John Calley) он строит свою первую паровую машину. В ней использовался вертикальный цилиндр с поршнем, как у машины Папена. Однако пар образовывался в отдельном паровом котле, что было схоже с принципом действия «огненной» машины Сэйвери. Герметичность внутри парового цилиндра была повышена за счет кожи, которая закреплялась вокруг поршня.

Паровая машина Ньюкомена.

Машина Ньюкомена тоже являлась пароатмосферной, т.е. подъем воды из шахты осуществлялся при воздействии атмосферного давления. Она была довольно громоздкой и «поедала» много угля. Тем не менее, практической пользы машина Ньюкомена приносила несравненно больше, отчего ее почти полстолетия применяли в шахтах. В Англии, например, она позволила вновь открыть заброшенные шахты, которые затопило грунтовыми водами.

И еще один яркий пример эффективности машины Ньюкомена — в 1722 году в Кронштадте в сухом доке воду из корабля откачали в течение двух недель, в то время как с устаревшей системой откачки с помощью ветряных мельниц на это ушел бы год.

Несмотря на все это, Томас Ньюкомен не получил патент на свою паровую машину из-за патента Сэйвери.

Возможность применения паровой машины Ньюкомена с целью приведения в движение транспортного средства конструкторами рассматривалась, в частности, для привода гребного колеса на судне. Однако попытки успехом не увенчались.

Изобрести компактную, но мощную паровую машину довелось Джеймсу Уатту (James Watt). В 1763 году Уатту, механику университета Глазго, дали задание починить паровую машину Ньюкомена. В процессе ремонта Уатт приходит к следующей идее — цилиндр паровой машины нужно держать постоянно нагретым, что резко сократит расход топлива. Оставалось лишь понять, как в таком случае конденсировать пар.

Модель паровой машины Уатта.

Осенило Уатта, когда он совершал вечерний моцион возле прачечных. При виде облаков пара, стремящихся выбраться из-под крышек котлов, изобретатель вдруг осознал, что пар является газом, и он должен перемещаться в цилиндр с пониженным давлением. Уатт решительно берется за дело. Он применяет водяной насос и металлические трубки, из которых насос станет откачивать воду и пар, создавая в последних пониженное давление, а оно, из трубок, начнет передаваться в рабочий цилиндр паровой машины.

Для рабочего хода Уатт применяет давление пара, отказываясь тем самым от атмосферного давления, что стало большим шагом вперед. Для этой цели, чтобы пар не проходил между цилиндром и поршнем, пеньковой веревкой, пропитанной маслом, обматывали поршень вдоль специальных бороздок. Такой способ позволял добиться достаточно высокой герметичности внутри парового цилиндра.

В 1769 году Уатт получил патент на «создание парового двигателя, в котором температура двигателя всегда будет равна температуре пара, несмотря на то, что пар будет охлаждаться до температуры ниже ста градусов».

В 1772 году Джеймс Уатт свел знакомство с промышленником Мэтью Болтоном (Mathew Bolton). Этот богатый господин выкупил и возвратил Уатту все его патенты, которые незадачливый изобретатель вынужден был заложить за долги. При поддержке Болтона работа Уатта ускорилась. Уже в 1773-м Уатт испытывает свою паровую машину; она выполняла все ту же функцию парового насоса, но угля требовала гораздо меньше.

Видя очевидные преимущества машины Уатта, Болтон открывает совместную с изобретателем компанию по производству паровых машин, и в 1774 году в Англии начинается их выпуск. Реализация паровых машин шла настолько хорошо, что Болтон захотел построить новый прокатный цех, для чего попросил Уатта создать специальную паровую машину — для привода прокатных станков.

Уатт блестяще справился с задачей, и в 1781 году запатентовал паровую машину «для осуществления движения вокруг оси с целью приведения в действие других машин». Таким образом, на свет появилась первая паровая машина не для поднятия воды со дна шахт, а для приведения в движение машин.

Новая машина Уатта обладала рядом усовершенствований. Например, регулятором для равномерного вращения главного вала паровой машины, а также планетарным механизмом для создания кругового движения. Последний Уатт изобретает потому, что применить кривошипно-шатунный механизм ему не позволяет действующий патент. Но в 1784 году Уатту все же удалось добиться разрешения на использование в паровой машине кривошипно-шатунного механизма.

Таким образом, созданная Уаттом первая в мире универсальная паровая машина стала приводить в движение промышленные станки, возвещая о приходе эры паровых машин. Очень скоро пар станет двигать пароходы и поезда, благодаря чему жизнь человека в корне изменится.

Огромные заслуги Джеймса Уатта не прошли незамеченными для потомков — в 1819 году приказом английского парламента в Вестминстерском аббатстве великому изобретателю поставили мраморный памятник.

Первый пароход.

Считается, что первый пароход построил американец Роберт Фултон (Robert Fulton) в 1807 году — его корабль с гребным колесом назывался «Клермонт». Поначалу Фултон пытался с помощью пара приводить в движение весла, но затем обратился к более удачной идее колеса. Первое плавание на «Клермонте» Фултон совершил один, поскольку жители окрестностей наотрез отказались сесть в «дьявольски» дымящую посудину. Зато на обратном пути к Фултону все-таки подсел один смелый человек, за что и получил от изобретателя право на пожизненный бесплатный проезд на «Клермонте».

Затем рейсы судна Фултона стали обыденностью — «Клермонт» перевозил людей по реке Гудзон от Нью-Йорка до Олбани, развивая скоростью около 5 узлов (9 км/ч).

Первый винтовой пароход построил в 1838 году англичанин Френсис Смит (Francis Smith). Использование гребных винтов вместо гребных колес позволило значительно улучшить ходовые качества пароходов. На пароходах постепенно исчезают вспомогательные паруса (вспомним, что в 1819 году американский пароход «Саванна» пересек Атлантический океан по большей части с помощью парусов), а к началу ХХ века в историю уходят и сами парусные корабли.

Первый паровоз.

Первый паровоз построил британец Ричард Тревитик (Richard Trevithick). Это была повозка с паровым двигателем, двигающаяся по рельсам со скоростью 7 км/ч и перевозившая состав весом 7 тонн. В 1804 году для испытания паровоза Тревитика в Лондоне построили небольшую рельсовую дорогу.

В наше время и пароходы, и паровозы уже давно стали исторической диковинкой, которую, правда, можно встретить в самых разных странах. Так, в Норвегии на озере Мьёс до сих пор функционирует самый старый колесный пароход в мире — «Скибладнер», построенный еще в 1856 году. В свою очередь, паровозы активно эксплуатируются в странах третьего мира, а это значит, что пар по-прежнему верой и правдой служит человечеству.

«Паровая телега» Кюньо.

Отдельная веха в истории пара — паровые автомобили. Первую действовавшую паровую автомашину («паровую телегу») построил француз Никола-Жозеф Кюньо (Cugot) в 1769 году. Это была очень тяжелая, весившая более тонны повозка, с управлением которой едва могли справиться два человека. Эстетически машина выглядела не слишком красиво — котел, словно горшок на ухвате, размещался впереди транспорта.

«Телега» Кюньо развивала скорость около 2-4 км/ч и могла перевозить до 3 тонн груза. Эксплуатировать ее было сложно — для поддержки давления пара, которое быстро падало, приходилось каждые четверть часа останавливаться и зажигать топку.

В конце концов, в очередной испытательной поездке Кюньо и кочегар (между прочим, кочегар по-французски звучит как «шоффер», откуда и произошло затем слово «шофер») потерпели аварию на крутом повороте, отчего котел взорвался, наведя шуму на весь Париж. Кюньо построил новую «телегу», но в массы она не пошла. В 1794 году ее сдали в музей.

Значительный вклад в развитие паровых автомашин внес еще один француз — Леон Эммануэль Серполле (Leon Serpollet). В 1875 году он создал небольшую, но мощную автомашину на пару. Леон решил, что воде лучше нагреваться не в котле, а в разогретых трубках, где она превращается в пар очень быстро. Первой работающей машиной Серполле стал двухместный трехколесный экипаж из дерева. Поначалу полиция запрещала французу ездить даже по ночам, но в 1888 году все же сдалась и выдала официальную бумагу с разрешением на поездки.

На этом Серполле не остановился. Вместо угля он начинает использовать жидкое топливо, которое подавалось на две горелки. В 1900 году он открывает фирму совместно с американцем Фрэнком Гарднером (Frank Gardner) — Gardner- Serpollet.

Гоночный паровой автомобиль Серполле.

В 1902 году Серполле создал гоночный паровой автомобиль и установил на нем в Ницце мировой рекорд скорости на суше — 120,77 км/ч. Неудивительно, что на тот момент паровые автомобили вполне удачно конкурировали с бензиновыми и электрическими собратьями. Особенно процветали первые в США, где, например, в 1900 году выпустили 1690 паровых, 1585 электрических и всего 936 бензиновых автомобилей. Паровые авто использовались в США вплоть до 30-х годов ХХ века.

В первой половине XIX века также строились паровые тракторы, в частности, с гусеничным ходом. Однако коэффициент полезного действия паровых двигателей равнялся лишь 5%. По этой причине в начале ХХ века паровые двигатели на автомашинах были заменены двигателями внутреннего сгорания. С их помощью автомобили стали более экономичными, легкими и скоростными.

Нельзя не упомянуть и о других, менее удачных применениях пара в конце ХIХ — начале ХХ веков. Широкое распространение пароходов, паровозов и паровых автомашин подтолкнуло изобретателей к мысли, что пар можно использовать в авиации и в армии.

Паровой аэроплан Хенсона.

Увы, пар в этих областях пригодится не смог. Хотя уже к середине ХIХ века насчитывалось несколько попыток создания аэропланов с паровым двигателем. Англичанин Уильям Хенсон (William Henson) построил аппарат «Эриел Стим Кэрридж», обладавший паровым двигателем мощностью 25-30 л.с., который приводил в действие воздушные винты диаметром 3,05 м. Чтобы уменьшить вес машины, обычный котел был заменен системой сосудов конической формы с использованием воздушного конденсатора.

В 1844-1847 годах Хенсон безуспешно испытывал свои аэропланы. Все они закончились неудачно. Но уже в 1848 году Джон Стрингфеллоу (John Stringfellow) все-таки построил аэроплан, который оторвался от земли, хотя и не надолго.

Апофеозом «паромании» в авиастроении стал аэроплан Хайрема Стивенса Максима (Hayrem Stivens Maxim), который обладал паровой машиной мощностью в 360 л.с., а размерами мог сравниться с двухэтажным домом. Неудивительно, что аэроплан Максима рухнул в одночасье, как и все мечты человека покорить воздух с помощью пара.

Хотя, отметим, что в 1896 году американец Сэмюэл Пирпонт Ленгли (Samuel Pierpont Langley) все-таки построил аэроплан с паровым двигателем, который без пилота пролетел примерно километр, пока не израсходовал топливо. Свое творение Ленгли назвал «аэродромом» (в переводе с древнегреческого — «бегущий в воздухе»). Однако к началу ХХ века всем было понятно, что громоздкие паровые двигатели не годятся для воздухоплавания, тем более, что к этому времени на аэропланах отлично себя зарекомендовали бензиновые двигатели — 17 декабря 1903 года в небе появился знаменитый самолет братьев Райт, снабженный бензиновым двигателем.

Не лучше обстояли дела с паром в армии. А ведь еще сам Леонардо да Винчи (Leonardo da Vinci) описал пушку, выстреливающую снарядами силой только огня и воды. Великий флорентиец предположил, что длинный медный ствол с ядром, положенный в печь одним концом, сможет выбросить снаряд, если в отсек за ядром впрыснуть немного воды, когда труба сильно разогреется. Леонардо полагал, что вода при такой высокой температуре испарится очень быстро и, став аналогом пороха, вытолкнет ядро на огромной скорости.

Стоит отметить, что идея паровой пушки приписывается Архимеду. В рукописях древних упоминается о том, что во время осады Сиракуз в 212 году до нашей эры римские корабли обстреляли из пушек. Но ведь пороха тогда в Европе не было! И Леонардо да Винчи предположил наличие у Архимеда, чьи устройства обороняли Сиракузы, паровых пушек.

Паровая пушка (реконструкция).

Проверить эту идею да Винчи решил греческий инженер Иоанис Саккас (Ionis Sakkas). Он построил деревянную пушку, к тыльной части которой закреплялся котел, нагреваемый до 400°С. Как и предлагал Леонардо да Винчи, в специальный клапан подавалась вода, которая, испаряясь мгновенно, врывалась паром в дуло, отчего бетонное ядро в опытах Саккаса улетало на расстояние 30-40 м.

Проверить «быль» о пушках Архимеда брались также студенты университета MIT и участники телесериала «Разрушители легенд», правда, без успеха, подобного достижению Саккаса.

В XIX веке к пару вновь вернулись, но создать реально боеспособное оружие (пушку либо пулемет) не удалось. В 1826-1829 годах российский инженер-полковник корпуса путей сообщения А. Карелин изготовил медную 7-линейную (17,5 мм) опытную паровую пушку. Стрельба велась шаровыми пулями при помощи водяного пара, скорострельность достигала 50 выстрелов в минуту. Но испытания, проведенные в 1829-м, не впечатлили «приемную комиссию», которая сочла пушку излишне сложной для использования в полевых условиях.

Модель паровой пушки Карелина.

В завершение данной статьи нельзя не упомянуть о стимпанке (англ. «steampunk», от «steam» — «пар» и «punk» — «протест»). Это направление научной фантастики описывает эпоху пара времен Викторианской Англии (вторая половина XIX века) и раннего капитализма (начало ХХ века). Соответственно описываются городские пейзажи, персонажи, общественные настроения и т.д. Сам термин появился в 1987 году. Популярность жанр стимпанк приобрел после появления романа «Разностная машина» Уильяма Гибсона и Брюса Стерлинга (1990). Предтечами стимпанка можно назвать Жюля Верна и Григория Адамова. В последние годы появилось много кинофильмов в стиле стимпанк, самые известные из них — «Дикий, Дикий Запад» (1999), «Машина времени» (2002), «Лига выдающихся джентльменов» (2003) и «Ван Хельсинг» (2004).

К стимпанку хронологически примыкает дизельпанк — жанр, описывающий технологический мир 20-50-х годов XX века, весьма близкий, надо отметить, к техномиру начала ХХ века.

Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

3dnews.ru

Паровая машина Википедия

Горизонтальная стационарная двухцилиндровая паровая машина для привода заводских трансмиссий. Конец XIX в. Экспонат Музея Индустриальной Культуры. Нюрнберг

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

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

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

Принцип действия[

ru-wiki.ru

Паровые машины — фантастические технологии! : puli_snegopaqa — LiveJournal

Сегодня общественность введена в заблуждение, когда речь заходит, почему не развиваются паровые технологии. Среднее мнение такое, что паровые технологии устарели и их заменили на более развитые. На самом деле это не так, ведь все атомные электростанции, подводные лодки — это и есть паровые технологии. То есть, никуда они не исчезли, их просто выдрали из рук общественности в угоду властьимущих.

Помните фильм «Гибридные технологии»,

где было доведено, что мощь паровых изобретений в тысячу раз занижена и вообще нисколько не освещена? Так вот, те, кто пытался ознакомится с данной темой, могут заметить поразительную вещь, что в публикациях «первый паровой трактор» многие авторы противоречат друг другу, в каждой публикации указывая разных изобретателей, кто был первым и какая была первой модель парового трактора. Самые правдивые, это те, которые констатируют «когда был первый паровик, доподлинно неизвестно». А откуда это может быть известно, если патентное право, введенное в Великобритании и весьма ревностно охраняемое британскими законами, до 1800 года не позволяло никому строить самодвижущиеся экипажи с паровой силовой установкой. Также вспоминаем, что 1700-тые и 1800-тые года… это время, когда не то, что горели библиотеки и архивы по всему Миру, но также и целые каменные города с античными высотками.

Во-вторых, нам по традиции подпихивают под видом первого трактора, дескать непрактичного, неприспособленного, слаботехнологичного и некрасивого такое изображение:

И мало где пишется, что это не именно паровой трактор. Это перевозной паровой двигатель домашнего завода! От него работать могла лесопилка, мельница, домашняя ткацкая фабрика, можно использовать как генератор для добывания электричества и вообще можно модернизировать под любой вид производства на дому. То есть, в позднем средневековье люди могли себе позволить такую механическую роскошь, которой нам остается лишь завидовать. За то людям смотрящим в свои ладошки внушают что не работать на дядю, а иметь свое дело и свою собственную промышленность, это примитивность.

Хотя всё обстоит с точностью да наоборот. Экономист Брайян Артур писал «В 1890 было три способа двигать автомобили — с помощью пара, бензина и электричества. И один из них самый плохой — бензин». Но капиталисты начали развивать что? Правильно, самую беЗполезную технологию и вытеснять самое нужное.

В толпу вложили, что паровой транспорт медленный, что является полной дезинформацией, ведь мало кто в курсе, что паровые автомобили с успехом конкурировали с машинами с ДВС вплоть до 1930-х годов.В 1800-тых паровые автомобили вовсю носились по городским улицам, развивая приличные даже по сегодняшним меркам скорости. В январе 1906 года Фред Мариотт на паровичке с удивительно скромным названием «Ракета», разгонялся до 205,4 км/ч. «Ракета» обгоняла не только любой автомобиль того времени, но и даже самолет. В следующем году прославленный гонщик разбился — опять же на паровом автомобиле. Как показало расследование, на скорости 240 км/ч. В это время транспорт на бензине ползал черепашьей скоростью.

От бензиновых собратьев они отличались чрезвычайной долговечностью и надежностью. Что и говорить, если до сих пор в Великобритании паровые двигатели широкоиспользются. Могли работать на всем, что горит, — угле, дровах, соломе. Плюс не забываем котел можно разогревать и электроэнергией, которую можно получать от аккумулятора, от солнца, да и от движения самого транспорта.

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

Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает в связи с низким атмосферным давлением. Другим преимуществом является низкое загрязнении окружающей среды.

Во-времена Союза на Московском автозаводе выпускался паравой автомобиль — обычный поворот ключа зажигания — и через 45 секунд автомобиль трогается с места. Еще пара минут — и он готов начать разгон до скорости 150 км/ч с ускорением 2,7 м/с2. Езда на паровом автомобиле — одно удовольствие. Он движется бесшумно и плавно. Однажды в кабину такого паровичка, сели Малинин и профессор Чудаков. Сели и сидят в полной тишине. Только профессор кнопки нажимает и на приборы поглядывает. Инженер поскучал и спрашивает: «Не пора ли в путь?» «А мы давно уже едем», — отвечает профессор. Спидометр показывал 20 км/ч — величину по тем временам приличную. По нашим понятиям улицы тогда были пустынны. Но чтобы услышать шум работы парового автомобиля даже на такой улице, приходилось прикладывать ухо к выхлопной трубе парогенератора. Тут тоже требуется пояснение. Двигатель автомобиля «Добль-Беслер» работал по замкнутому циклу с конденсацией пара. 70 л воды хватало на 500 км езды. Выпускать пар на улицу приходилось лишь в редких случаях. Поэтому при хорошо сделанных механизмах в автомобиле просто ничего не могло шуметь, а из парогенератора доносился лишь шум пламени.

Смотрим на дореволюционный мощный царский паровой трактор «Путиловец»:


А вот паровой кран в Гизборне (Новая Зеландия), 1889 год:

Напоминаю, что по-мимо транспорта парового, широкоразвит был и электротранспорт — совмести эти две технологии, как в прошлом делали, и мы получаем абсолютно беЗтопливные безлошадники! Давайте еще немножко почитаем литературы из сети от людей, которые изучали паровые технологии, чтоб понять — все кто не поверхностно наслышан о паровых технологиях, а изучали, все эти люди в один голос говорят, что убийство паровых технологий и не развитие их, это притупление.

По нашим понятиям улицы тогда были пустынны. Но чтобы услышать шум работы парового автомобиля даже на такой улице, приходилось прикладывать ухо к выхлопной трубе парогенератора. Тут тоже требуется пояснение. Двигатель автомобиля «Добл-Беслер» работал по замкнутому циклу с конденсацией пара. Семидесяти литров воды хватало на 500 км езды. Выпускать пар на улицу приходилось лишь в редких случаях. Поэтому при хорошо сделанных механизмах в автомобиле просто ничего не могло шуметь, а из парогенератора доносился лишь шум пламени.

Вы представьте эту картину — машина не шумит, не гудит, Вы сидите за ней, как с книжкой у комина или как у костра, жаря шашлык

В отличие от паровых технологий, сгорание топлива в цилиндре двигателя внутреннего сгорания (ДВС) протекает при постоянно меняющихся количестве кислорода и температуре, что приводит к образованию огромного объема токсичных веществ. Легковой автомобиль за час работы вырабатывает их достаточно для гибели не одного человека. В горелке же парогенератора все процессы протекают при постоянных и наилучших условиях, поэтому токсичность выхлопа парового автомобиля в сотни раз ниже, чем у автомобиля с ДВС.

Парогенератор, превративший локомобиль в поистине уникальное транспортное средство, был разработан американскими изобретателями братьями Добл в 1914 г. Он состоял из 10 соединённых последовательно плоских змеевиков в корпусе из жаропрочной стали – типа усложнённого варианта самогонного аппарата. Холодная вода из конденсатора при помощи насоса подавалась в трубку, обвивающую стенки корпуса, где немного подогревалась, а дальше поступала в змеевики, закипала и превращалась в перегретый пар. Двигатель Добла запускался всего за полторы минуты!

Возникает вопрос: если паровые машины так хороши, почему их не ставить на трактора или, например, на самолёты? Да и вообще на все транспортные средства? Почему они не вытеснили двигатели внутреннего сгорания? Ответ так же прост, как и горек: паровые автомобили и трактора были ликвидированы в результате сговора нефтяных компаний и крупнейших автопроизводителей – другой причины для победы более сложного, менее мощного и менее долговечного, к тому же загрязняющего воздух ДВС над паровым двигателем не было.

Всё просто: производство автомобилей с ДВС к 1920-м годам превратилось в колоссальный промышленный сектор, тесно связанный с нефтедобычей и нефтепереработкой. Автомобилестроение и нефтянка были способны задавить кого угодно, а локомобили «давить» было из-за чего: паровой двигатель работает не несколько лет, как ДВС, а все сто лет и больше. До сих пор есть аппараты, которым два века, а их можно о сих пор завести и ехать. И бензина ему не надо, и моторного масла; так, глядишь, вся нефтянка могла сойти на нет. И на рубеже 1920-1930-х годов с локомобилями начались неприятности. В 1933 г. английские законодатели ввели налог на грузовой транспорт, основанный на массе машины, что поставило тяжёлые паровые грузовики в невыгодное положение по сравнению с карбюраторными машинами, а в 1934 г. уменьшили тарифы на импортные нефтепродукты. «Странным образом исчезали доступные источники необходимой для котлов воды (придорожные колонки и резервуары), начались проблемы с поставщиками комплектующих деталей. Это вызвало проблемы со сбытом и производством – и, как следствие, финансовые затруднения. Локомобильных производителей медленно доводили до разорения, после чего их дело выкупали автомобильные компании. Затем цеха тут же закрывались, оборудование вывозили, а чертежи локомобилей прятали в архивы»

А теперь вспоминаем, что такая же история была и с трамваями:

В докладе советника Сената США Брэдфорда Снелла 1974 года были приведены доказательства того, что с 1936 по 1950 годы General Motors совместно с Firestone Tire, Standard Oil of California и Phillips Petroleum создавали подставные холдинговые компании, через которые скупали трамвайные линии и ликвидировали их. Применялись прямые угрозы, шантаж, обман и подкуп чиновников, использовались обширные связи руководства в правящих и банковских кругах. В итоге на смену трамваям постепенно пришли вонючие, медленные автобусы. Производителем этих автобусов были все те же General Motors.

Точно так же велась борьба и с электромобилями. Так, в 2006 г. в США вышел документальный фильм «Кто убил электромобиль?», рассказывающий о появлении, использовании, и провале электромобиля в США. Фильм раскрывает роли автопроизводителей, нефтяной промышленности и правительства США в ограничении разработок и распространения электромобилей. Эта история поразительна тем, что электромобили, изымавшиеся разными средствами у владельцев (выкуп, рекламации и т.д.) уничтожались – в частности, на заводах GM.

Между прочим, и паровой автомобиль конкуренты «убивали» не один раз. Появление всё более совершенных локомобилей в середине XIX в. В Англии очень встревожило извозчичьи компании, железнодорожников и владельцев грузовых барж (значительная часть грузов в этой стране перевозилась по рекам и каналам). Уже в 1831 г. под их прямым давлением пользование локомобилями было обложено высокими пошлинами и введено ограничение на их передвижение по общественным дорогам. А в 1865 г. парламент принял «Locomotive Act» — закон, ограничивающий скорость движения шестью милями в час (в городах – тремя) и требующий, чтобы перед самоходными машинами шёл человек, размахивающий красным флагом и дующий в сигнальную дудку. Аргументация противников автотранспорта была железной: машины, мол, слишком быстрые и представляют угрозу для пешеходов. Закон был отменён в 1896 г. – после появления автомашин с ДВС: бороться с ними железнодорожникам и речникам было не под силу. Но паровики сопротивлялись и даже в той же Англии пережили своего рода ренессанс популярности в 1920-е годы – в связи с удорожанием бензина. Однако набравшие силу конкуренты – уже не речники с железнодорожниками, а автоконцерны и нефтяные компании – не дремали, и в середине 1930-х звезда локомобилей закатилась.

В США братья Бесслер поставили паровой двигатель на самолёт. «12 апреля 1933 г. американские изобретатели братья Джордж и Уильям Бесслер совместно с инженером Натаном Прайсом продемонстрировали широкой публике вполне обычный с виду самолёт под названием Airspeed 2000. Хотя самолёт представлял собой просто переделанную классическую модель биплана, «начинка» его была весьма необычной, потому что пропеллер приводился в движение паровым двигателем. Двухцилиндровый V-образный паровой двигатель «выдавал» 150 л.с. Десяти галлонов воды хватало примерно на 600 км полета. Самолет имел огромное количество преимуществ перед машинами с ДВС. Во-первых, мощность двигателя не зависела от высоты полёта и степени разреженности воздуха — это было вечной проблемой бензиновых или дизельных двигателей. Если на небольшой высоте паровой двигатель и уступал в мощности двигателю внутреннего сгорания, то на высоте свыше 2000 м давал последнему немалую фору. Во-вторых, самолёт был совершенно бесшумным — только свист пропеллера. Это было неоценимым плюсом с точки зрения незаметности самолета во время боевых действий. Во всех газетах того времени промелькнула фраза о том, что, когда пилот разговаривает с пассажиром, их беседу можно услышать на земле! А ещё — простота конструкции, отсутствие необходимости в дорогостоящем топливе и маслах, экономичность, большой ресурс…

Особенно была отмечена способность самолёта к реверсивному ходу и быстрому торможению. Когда Airspeed 2000 приземлялся, пилот включал реверс – и пропеллер, вращаясь в обратную сторону, почти мгновенно и мягко, в отличие от тормозов на шасси, останавливал машину. Самолёты с ДВС на тот момент на такие «трюки» были не способны. Airspeed 2000 вполне успешно эксплуатировался (на службе в почтовом ведомстве США), но продолжения идея не получила. Самолет Бесслеров летал до 1936 г., после чего следы его теряются. Н. Прайс впоследствии предлагал свои идеи паровых авиадвигателей фирме «Локхид», но был отвергнут. Кроме братьев Бесслер, паровой самолет примерно в те же годы сделал Харольд Джонстон.

Статья в сборнике работ «Развитие паровых автомобилей и летательных аппаратов»: «По полученной из надежных источников информации, в пригороде Берлина в обстановке особой секретности на протяжении многих месяцев строится самолет, приводимый в движение паровым двигателем. Руководителем проекта является герр Хюттнер, ведущий инженер электростанции Клингенберг.
.
После опубликования технико-тактических характеристик летательного аппарата в газете The Daily Telegraph, чешский корреспондент, получивший доступ этой информации, был арестован в Берлине.

Казалось бы, где, как не в Советском Союзе, свободном от диктата нефтяных и автомобильных магнатов, стране с плановой экономикой, наладить выпуск машин с паровым двигателем?

Ведущие специалисты НАМИ, знакомые, естественно, с разработками Добла, в 1935 г. предложили советскому правительству начать работы по разработке паровых автомобилей, тракторов и бронетехники. Однако их призыв остался без ответа. В 1938 г. НАМИ всё-таки получил задание начать разработку таких машин, но… не получил финансирования. В 1949 г. Ярославский автозавод выпустил пробную партию грузовика НАМИ-012, паровой двигатель которого работал на дровах – для отдалённых лесодобывающих районов. Машина показала довольно высокие характеристики, но в серийное производство её отчего-то не пустили. Разработанные в начале 1950-х грузовики НАМИ-0125, работавший как на твёрдом, так и на жидком топливе, и НАМИ-012Б, работавший только на жидком топливе так и остались проектами, хотя были весьма перспективны. Объяснения этому решению найти трудно.

В СССР занимались и разработкой установки паровых машин на самолёты – тоже крайне перспективным направлением, не получившим развития в мире из-за противодействия авиастроительных и нефтяных компаний. Кстати, ещё в 1934 г. группа студентов Московского авиационного техникума — спроектировала (в качестве дипломной работы) паровой авиационный двигатель для учебного самолёта У-2. В 1939 г. авиаинженер-двигателист П. Дузь даже выпустил книгу «Паровой двигатель в авиации», но советское руководство этой темой не заинтересовалось, хотя самолёт с таким двигателем летал бы совершенно бесшумно и имел бы огромный потолок. То есть СССР мог бы получить бесшумные высотные истребители, бомбардировщики и транспортники – и получить громадное преимущество над авиацией противника в грядущей войне.

Почему же в не зависимом от «проклятых империалистов» СССР не начали серьёзно работать над паровыми двигателями (хотя локомобили малыми серями делали в Брянске, на дореволюционном заводе Мальцова, с 1873 по 1957 г.)? Тут мы вступаем в сферу догадок, доказательств никаких нет. Но всё же можно предположить: потому же, почему и на Западе. Советская экономика 1930-х годов зависела от поставок западной техники и оборудования, и советским начальникам иностранные партнёры наверняка объяснили: не надо никаких локомобилей. Тем более что в 1930-40-х годах в Москве жил знаменитый «красный миллионер», американец А. Хаммер, связанный как с нефтяной, так и с автомобильной промышленностью США (он создал нефтяную компанию Occidental Petroleum, а также лоббировал строительство Горьковского автозавода фирмой Ford). Ему, «другу» Ленина и Сталина, было легко объяснить «красным директорам», что ДВС куда лучше парового двигателя.

После «нефтяного шока» 1974 г. локомобили начала было выпускать шведская фирма SAAB, но что-то у неё не заладилось. В Великобритании сейчас паровыми автомобилями занимается маленькая компания Britain Steam Car Challenge: её Inspiration, кстати, — рекордный автомобиль, его максимальная скорость составляет 273,6 км/ч. Ещё Mercedes-Benz производит малыми сериями маневровые локомобили Unimog. Да в Башкортостане, в селе Михайловка, фермер сам смастерил паровой трактор «Орлик» и выложил рекламный ролик в интернете. А в Великобритании ежегодно проводят соревнования старинных локомобилей. И всё.

А ведь история мирового машиностроения в случае развития паровой техники могла бы пойти совершенно другим путём – в частности, человечество было бы избавлено от диктата нефтяных гигантов. И с экологией в городах дело обстояло бы несравненно лучше.

Конец публикации «Детективная история паровой машины». Как Вы уже убедились — тема обширная, интересная и как раз служит для того, для чего человечество вообще живет — это созидать, изобретать, развиваться. Но вместо этого нас заставляют день за днем, год за годом, крутится как белка в колесе тратя свое время на пустоту.

Пули Снегопада

Детективная история паровой машины: http://www.historicus.ru/detektivnaya_istoriya_parovoi_mashini/
Паровички: быстрые, бесшумные и простые: https://www.popmech.ru/vehicles/8702-parovichki-bystrye-besshumnye-i-prostye-parovye-avtomobili/#part0

puli-snegopaqa.livejournal.com

Как устроен паровой двигатель его преимущества и недостатки

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:

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.

auto-ru.ru

HydroMuseum – Паровая машина

Паровая
машина

Паровая машина – 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.

Рис. 1. Паровая
машина

Горизонтальная
стационарная двухцилиндровая паровая машина для привода заводских трансмиссий.
Конец XIX в.Экспонат Музея Индустриальной Культуры.Нюрнберг

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 и электромоторами, 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 можно использовать практически любой вид
топлива — от дров до урана.

Изобретение
и развитие

Рис. 2.

Первое
известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре,
заставлял последний вращаться. Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским философом,
астрономом и инженером XVI века Таги-аль-Диноме. 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 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 XVII 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. 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 XIX столетии). Однако никто
не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и
паровая машина осталась неразработанной. Одним из опытов французского физика и
изобретателя Дени Папена
было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-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.

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». Это был усовершенствованный паровой двигатель
Сейвери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Первым
применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном
насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере
насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса,
который подавал воду наверх. Именно двигатель Ньюкомена стал первым паровым
двигателем, получившим широкое практическое применение, с которым принято
связывать начало промышленной революции в Англии. 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.
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. 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

Рис. 3.

Гравюра
двигателя Ньюкомена. Это изображение скопировано с рисунка в работе Дезаглирса
«курс экспериментальной философии», 1744, которая является изменённой копией
гравюры Генри Битона, датированной 1717 годом. Вероятно, изображён второй двигатель
Ньюкомена, установленный приблизительно в 1714 в угольной шахте Гриф в
Уоркшире.

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

Поршень
связан цепью с концом большого коромысла, вращающегося вокруг
своей середины. Насос под нагрузкой связан цепью с противоположным концом
коромысла, которое под действием насоса возвращает поршень к верхней части
цилиндра силой гравитации.
Так происходит обратный ход. Давление пара низкое и не может противодействовать
движению поршня.

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.

Рис.
4. Версия паровой машины, созданная Уаттом

В
паровой машине Ньюкомена смазка поршня осуществлялась небольшим количеством
налитой на него сверху воды, в машине Уатта это стало невозможным, поскольку в
верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку смесью
тавота и нефти. Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.

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 Тревитику 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.

Рис. 5. 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 одиночного действия поршень перемещался в одну
сторону силой расширяющегося пара, но обратно он возвращался или под действием
гравитации, или за счёт момента инерции вращающегося маховика, соединённого с
паровой машиной.

В
паровых машинах двойного действия свежий пар поочередно подается в обе стороны
рабочего цилиндра, в то время как отработанный пар с другой стороны цилиндра
выходит в атмосферу или в конденсатор. Это потребовало создания достаточно
сложного механизма парораспределения. Принцип двойного действия повышает
скорость работы машины и улучшает плавность хода.

Поршень
такой паровой машины соединён со скользящим штоком, выходящим из цилиндра. К
этому штоку крепится качающийся шатун, приводящий в движение кривошип маховика.
Система парораспределения приводится в действие другим кривошипным механизмом. Механизм парораспределения может иметь функцию
реверса для того, чтобы можно было менять направление вращения маховика машины.

Паровая
машина двойного действия примерно вдвое мощнее обычной паровой машины, и кроме
того, может работать с намного более 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

Рис. 6. 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, установленным 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

Сжатие

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

Опережение

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

Простое
расширение

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

Компаунд

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

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

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

Двухцилиндровые
компаундные машины могут быть классифицированы как:

  • Перекрёстный компаунд  – Цилиндры расположены рядом, их
    паропроводящие каналы перекрещены.
  • Тандемный компаунд – Цилиндры располагаются последовательно,
    и используют один шток.

  • Угловой компаунд – Цилиндры расположены под углом друг к
    другу, обычно 90 градусов, и работают на один кривошип.

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

Множественное
расширение

Рис. 7. 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).

Рис.
8.

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
четырёхкратного 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.

Рисунок
7 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 одиночного 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 одиночного, так и двойного действия.

Паровые
турбины

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

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

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

Кроме
поршневых паровых машин, в XIX веке активно
использовались роторные паровые машины. В России, во второй половине XIX века они назывались «коловратные машины» (т. е. «вращающие
колесо» от слова «коло» – «колесо»). Их было несколько типов, но наиболее
успешной и эффективной была «коловратная машина» петербургского
инженера-механика Н.Н. Тверского. Паровой двигатель
Н.Н. Тверского. Машина представляла
собой цилиндрический корпус, в котором вращался ротор-крыльчатка, а запирали
камеры расширения особые запорные барабанчики. «Коловратная машина» Н.Н.
Тверского не имела ни одной детали, которая бы совершала
возвратно-поступательные движения и была идеально уравновешена. Двигатель
Тверского создавался и эксплуатировался преимущественно на энтузиазме его
автора, однако он использовался во многих экземплярах на малых судах, на
фабриках и для привода динамо-машин. Один из двигателей даже установили на
императорской яхте «Штандарт», а в качестве расширительной машины – с приводом
от баллона со сжатым газом аммиаком, этот двигатель приводил в движение в
подводном положении одну из первых экспериментальных подводных лодок – «подводную
миноноску», которая испытывалась Н.Н. Тверским в 80-х годах XIX столетия в водах Финского залива. Однако со временем,
когда паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания и
электромоторами, «коловратная машина» Н.Н. Тверского была практически забыта.
Однако эти «коловратные машины» можно считать прообразами сегодняшних роторных
двигателей внутреннего сгорания.

Применение

Паровые
машины могут быть классифицированы по их применению следующим образом:

Стационарные машины

Рис.
9 Паровой молот

Рис.
10. 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

Рис. 11. 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.При этом паровая машина паровоза продолжает развивать
тяговое усилие даже в случае остановки колёс (упор в стену), чем отличается от
всех других видов двигателей, используемых на транспорте.

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

ηth=Wout/Qin,

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

Тепловой
двигатель не может иметь КПД больший, чем у цикла Карно,
в котором количество теплоты передается от нагревателя с высокой температурой к
холодильнику с низкой температурой. КПД идеальной тепловой машины Карно зависит
исключительно от разности температур, причём в расчётах используется абсолютная
термодинамическая температура.
Следовательно, для паровых двигателей необходимы максимально высокая
температура T1 в начале цикла (достигаемая, например, с помощью пароперегрева) и как можно более низкая температура T2 в
конце цикла (например, с помощью конденсатора): ηth≤1-T2/T1

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° C.

www.hydromuseum.ru

definition of Паровая_машина and synonyms of Паровая_машина (Russian)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

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 и электромоторами, 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.

Изобретение и развитие

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном из Александрии в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться.Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским философом, астрономом и инженером XVI века Таги-аль-Диномe. 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 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 [Эдвард Сомерсет]. 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.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». 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. 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.

Именно двигатель Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение, с которым принято связывать начало промышленной революции в Англии.

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.[1]

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

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.[2][3]

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.[4]

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.[5]

Множественное расширение

Файл:Triple expansion engine animation.gif

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 четырехкратного расширения. Такие паровые машины использовали серии цилиндров двойного действия, объем которых увеличивался с каждой стадией. Иногда вместо увеличения объёма цилиндров низкого давления использовалось увеличение их количества, так же, как и на некоторых компаундных машинах.

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

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

Прямоточные паровые машины

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

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

Паровые турбины

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

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

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

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

  • Пароход
  • Сухопутные транспортные средства:
  • 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

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.

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

История паровых машин

Россия
Великобритания

Примечания

  1. Hulse David K (1999): «The early development of the steam engine»; TEE Publishing, Leamington Spa, UK, ISBN, 85761 107 1(англ.)
  2. Riemsdijk, John van: (1994) Compound Locomotives, pp. 2-3; Atlantic Publishers Penrhyn, England. ISBN No 0 906899 61 3(англ.)
  3. 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.)
  4. A.M. Bell Locomotives. — London: Virtue and Company. — P. pp61-63.(англ.)
  5. 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

dictionary.sensagent.com

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *