Konstrukce parního stroje. Jak vyrobit parní stroj

08.03.2020

Smíšený

Na internetu jsem narazil na zajímavý článek.

"Americký vynálezce Robert Green vyvinul zcela novou technologii, která generuje kinetickou energii přeměnou zbytkové energie (stejně jako ostatní paliva). Greenovy parní stroje jsou pístově zesílené a navržené pro širokou škálu praktických účelů."
To je ono, nic víc, nic míň: zcela nová technologie. No, přirozeně začal hledat a snažil se proniknout. Všude se to píše jednou z nejunikátnějších výhod tohoto motoru je schopnost generovat výkon ze zbytkové energie motorů. Přesněji řečeno, zbytková výfuková energie motoru může být přeměněna na energii směřující do čerpadel a chladicích systémů jednotky. No a co z toho, jak jsem to pochopil, použít výfukové plyny k přivedení vody k varu a pak přeměnu páry na pohyb. Jak je to nutné a levné, protože ... i když je tento motor, jak se říká, speciálně navržen z minimálního počtu dílů, stále stojí hodně a má smysl zahradu oplotit, o to více zásadně nový v tomto vynálezu nevidím . A mechanismů pro přeměnu vratného pohybu na rotační už byla vynalezena spousta. Na webu autora se prodává dvouválcový model v zásadě není drahý
jen 46 dolarů.
Na stránkách autora je video využívající solární energii, je tam i fotka, kde někdo na lodi používá tento motor.
Ale v obou případech se zjevně nejedná o zbytkové teplo. Stručně řečeno, pochybuji o spolehlivosti takového motoru: "Kuličková ložiska jsou zároveň duté kanály, kterými je pára přiváděna do válců." Jaký je váš názor, milí uživatelé stránek?
Články v ruštině

Parní stroj je tepelný stroj, ve kterém se potenciální energie expandující páry přeměňuje na mechanickou energii dodávanou spotřebiteli.

S principem činnosti stroje se seznámíme pomocí zjednodušeného schématu Obr. 1.

Uvnitř válce 2 je píst 10, který se může pohybovat tam a zpět pod tlakem páry; válec má čtyři kanály, které lze otevřít a zavřít. Dva horní parní kanály1 A3 jsou připojeny potrubím k parnímu kotli a přes ně může do válce vstupovat čerstvá pára. Prostřednictvím dvou spodních krytů 9 a 11 je dvojice, která již dokončila práci, uvolněna z válce.

Diagram ukazuje okamžik, kdy jsou otevřeny kanály 1 a 9, kanály 3 a11 ZAVŘENO. Čerstvá pára proto z kotle kanálem1 vstupuje do levé dutiny válce a svým tlakem posouvá píst doprava; v tomto okamžiku je výfuková pára odváděna z pravé dutiny válce kanálem 9. Při krajní pravé poloze pístu jsou kanály1 A9 jsou uzavřeny a 3 pro vstup čerstvé páry a 11 pro odvod odpadní páry jsou otevřené, v důsledku čehož se píst posune doleva. V krajní levé poloze pístu se kanály otevřou1 a 9 a kanály 3 a 11 jsou uzavřeny a proces se opakuje. Vzniká tak přímočarý vratný pohyb pístu.

K převedení tohoto pohybu na rotační se používá tzv. klikový mechanismus. Skládá se z pístní tyče - 4, spojené na jednom konci s pístem a na druhém otočně pomocí jezdce (křížové hlavy) 5, klouzajícího mezi vodícími rovnoběžkami, s ojnicí 6, která přenáší pohyb na hlavní hřídel 7 skrz jeho koleno nebo kliku 8.

Velikost točivého momentu na hlavním hřídeli není konstantní. Opravdu, sílaR , směřující podél stonku (obr. 2), lze rozložit na dvě složky:NA směřující podél ojnice aN , kolmo k rovině vodících rovnoběžek. Síla N nemá žádný vliv na pohyb, ale pouze přitlačuje jezdec proti vodicím rovnoběžkám. PlatnostNA se přenáší po ojnici a působí na kliku. Zde jej lze opět rozložit na dvě složky: síluZ , směřující podél poloměru kliky a přitlačující hřídel proti ložiskům a síluT kolmo na kliku a způsobující otáčení hřídele. Velikost síly T určíme z uvažování trojúhelníku AKZ. Protože úhel ZAK = ? + ?, tedy

T = K hřích (? + ?).

Ale z trojúhelníku OCD síla

K= P/ cos ?

Proto

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

Při provozu stroje na jednu otáčku hřídele se úhly? A? a síluR se plynule mění, a tedy i velikost torzní (tangenciální) sílyT také variabilní. Pro vytvoření rovnoměrného otáčení hlavního hřídele během jedné otáčky je na něm namontován těžký setrvačník, díky jehož setrvačnosti je udržována konstantní úhlová rychlost otáčení hřídele. V těch chvílích, kdy mocT zvyšuje, nemůže okamžitě zvýšit rychlost otáčení hřídele, dokud se setrvačník nezrychlí, což se nestane okamžitě, protože setrvačník má velkou hmotnost. V těch chvílích, kdy je práce vyrobena kroutící silouT , práce odporových sil vytvářených spotřebičem se zmenší, setrvačník opět kvůli své setrvačnosti nemůže okamžitě snížit svou rychlost a vydáváním energie přijaté během zrychlování pomáhá pístu překonat zatížení.

V krajních polohách úhlů pístu? +? = 0, takže sin (? + ?) = 0 a tedy T = 0. Protože v těchto polohách není žádná rotační síla, pokud by stroj byl bez setrvačníku, musel by se spánek zastavit. Tyto krajní polohy pístu se nazývají mrtvé polohy nebo mrtvé body. Prochází jimi i klika díky setrvačnosti setrvačníku.

V mrtvých polohách se píst nedotýká víka válců, mezi pístem a víkem zůstává tzv. škodlivý prostor. Objem škodlivého prostoru zahrnuje i objem parních kanálů od parních distribučních orgánů do válce.

MrtviceS nazývána dráha, kterou urazí píst při pohybu z jedné krajní polohy do druhé. Pokud je vzdálenost od středu hlavního hřídele ke středu klikového čepu - poloměr kliky - označena R, pak S = 2R.

Zdvihový objem válce V h nazýván objem popsaný pístem.

Parní stroje jsou typicky dvoučinné (oboustranné) (viz obr. 1). Někdy se používají stroje jednočinné, u nichž pára vyvíjí tlak na píst pouze ze strany krytu; druhá strana válce u takových strojů zůstává otevřená.

Podle tlaku, kterým pára opouští válec, se stroje dělí na výfukové, pokud pára uniká do atmosféry, kondenzační, pokud pára vstupuje do kondenzátoru (chladnička, kde se udržuje snížený tlak), a na odběr tepla, v které se pára odváděná ze stroje používá k jakémukoli účelu (ohřev, sušení atd.)

Svůj rozmach započal na počátku 19. století. A už v té době se stavěly nejen velké celky pro průmyslové účely, ale i dekorativní. Většina jejich zákazníků byli bohatí šlechtici, kteří chtěli pobavit sebe a své děti. Poté, co se parní stroje pevně usadily v životě společnosti, začaly se na univerzitách a školách používat dekorativní stroje jako vzdělávací modely.

Dnešní parní stroje

Na počátku 20. století začal význam parních strojů klesat. Jednou z mála společností, která pokračovala ve výrobě dekorativních minimotorů, byla britská společnost Mamod, která umožňuje zakoupit vzorek takového zařízení i dnes. Náklady na takové parní stroje ale snadno překročí dvě stě liber, což není za cetku na pár večerů tak málo. Navíc pro ty, kteří rádi sestavují všechny druhy mechanismů sami, je mnohem zajímavější vytvořit jednoduchý parní stroj vlastníma rukama.

Velmi jednoduché. Oheň ohřívá kotel s vodou. Působením teploty se voda mění v páru, která tlačí píst. Dokud je v nádrži voda, setrvačník spojený s pístem se bude otáčet. Toto je standardní uspořádání parního stroje. Ale můžete sestavit model a úplně jinou konfiguraci.

No, přejděme od teoretické části k zajímavějším věcem. Pokud máte zájem dělat něco vlastníma rukama a překvapují vás takové exotické stroje, pak je tento článek právě pro vás, v němž vám rádi povíme o různých způsobech, jak sestavit parní stroj s vlastním ruce. Přitom samotný proces vytváření mechanismu přináší radost ne menší než jeho spuštění.

Metoda 1: DIY mini parní stroj

Takže, začněme. Pojďme sestavit nejjednodušší parní stroj vlastníma rukama. Výkresy, složité nástroje a speciální znalosti nejsou potřeba.

Pro začátek si vezmeme zpod jakéhokoli nápoje. Odřízněte spodní třetinu. Protože v důsledku toho získáme ostré hrany, musí být ohnuty dovnitř kleštěmi. Děláme to opatrně, abychom se nepořezali. Protože většina hliníkových plechovek má konkávní dno, je třeba jej vyrovnat. Stačí jej pevně přitisknout prstem na nějaký tvrdý povrch.

Ve vzdálenosti 1,5 cm od horního okraje výsledné "sklenice" je nutné udělat dva otvory proti sobě. K tomu je vhodné použít děrovačku, protože je nutné, aby měly průměr alespoň 3 mm. Na dno dózy dáme ozdobnou svíčku. Nyní vezmeme obvyklou stolní fólii, zmačkáme ji a poté zabalíme náš mini hořák ze všech stran.

Mini trysky

Dále je třeba vzít kus měděné trubky o délce 15-20 cm Je důležité, aby byla uvnitř dutá, protože to bude náš hlavní mechanismus pro uvedení konstrukce do pohybu. Střední část trubice je ovinuta kolem tužky 2 nebo 3 krát, takže se získá malá spirála.

Nyní musíte tento prvek umístit tak, aby zakřivené místo bylo umístěno přímo nad knotem svíčky. K tomu dáme trubici tvar písmene "M". Současně zobrazujeme řezy, které jdou dolů skrz otvory vytvořené v bance. Měděná trubice je tedy pevně upevněna nad knotem a její okraje jsou jakési trysky. Aby se konstrukce mohla otáčet, je nutné ohnout opačné konce „M-prvku“ o 90 stupňů v různých směrech. Konstrukce parního stroje je hotová.

Startování motoru

Nádoba se umístí do nádoby s vodou. V tomto případě je nutné, aby okraje trubky byly pod jejím povrchem. Pokud nejsou trysky dostatečně dlouhé, můžete na dno plechovky přidat malé závaží. Dejte si ale pozor, abyste nepotopili celý motor.

Nyní musíte naplnit trubici vodou. Chcete-li to provést, můžete spustit jednu hranu do vody a druhou nasávat vzduch jako trubicí. Položíme nádobu do vody. Zapálíme knot svíčky. Po nějaké době se voda ve spirále změní na páru, která pod tlakem vyletí z opačných konců trysek. Nádoba se začne v nádobě otáčet dostatečně rychle. Takto jsme získali parní stroj pro kutily. Jak vidíte, vše je jednoduché.

Model parního motoru pro dospělé

Nyní si úkol zkomplikujeme. Pojďme sestavit vážnější parní stroj vlastníma rukama. Nejprve musíte vzít plechovku barvy. Musíte se ujistit, že je absolutně čistý. Na stěnu 2-3 cm ode dna vyřízneme obdélník o rozměrech 15 x 5 cm, dlouhou stranou položíme rovnoběžně se dnem zavařovací sklenice. Z kovové sítě vystřihneme dílek o ploše 12 x 24 cm. Z obou konců dlouhé strany měříme 6 cm. Tyto díly ohneme pod úhlem 90 stupňů. Získáme malý „platformový stůl“ o ploše 12 x 12 cm s nohami 6 cm. Výslednou konstrukci nainstalujeme na dno plechovky.

Po obvodu víka je třeba vytvořit několik otvorů a umístit je do půlkruhu podél jedné poloviny víka. Je žádoucí, aby otvory měly průměr asi 1 cm, což je nezbytné pro zajištění správného větrání interiéru. Parní stroj nebude dobře fungovat, pokud u zdroje požáru není dostatek vzduchu.

hlavním prvkem

Vyrábíme spirálu z měděné trubky. Potřebujete asi 6 metrů měkké měděné trubky o průměru 1/4 palce (0,64 cm). Od jednoho konce naměříme 30 cm, od tohoto bodu je třeba udělat pět závitů spirály o průměru 12 cm. Zbytek trubky je ohnutý do 15 kroužků o průměru 8 cm, na druhém konci by tedy mělo zůstat 20 cm volné trubky.

Oba přívody procházejí ventilačními otvory ve víčku sklenice. Pokud se ukáže, že délka přímého úseku k tomu nestačí, lze jedno otočení spirály odklonit. Uhlí je umístěno na předinstalované plošině. V tomto případě by měla být spirála umístěna těsně nad tímto místem. Uhlí je pečlivě rozloženo mezi jeho otáčky. Nyní může být banka uzavřena. V důsledku toho jsme dostali topeniště, které bude pohánět motor. Parní stroj je téměř hotový vlastníma rukama. Trochu vlevo.

Nádrž na vodu

Nyní musíte vzít další plechovku barvy, ale menší velikosti. Uprostřed jejího víčka je vyvrtán otvor o průměru 1 cm. Další dva otvory jsou vytvořeny na boku dózy - jeden téměř u dna, druhý - výše, u samotného víčka.

Vezmou dvě kůry, v jejichž středu je vytvořen otvor z průměrů měděné trubky. Do jedné kůrky se vloží 25 cm plastové trubky, do druhé 10 cm, takže jejich okraj sotva vykukuje ze zátek. Do spodního otvoru malé zavařovací sklenice se vloží kůrka s dlouhou trubičkou a do horního otvoru kratší trubička. Menší plechovku položíme na velkou plechovku barvy tak, aby otvor ve spodní části byl na opačné straně ventilačních průchodů velké plechovky.

Výsledek

Výsledkem by měl být následující návrh. Voda se nalije do malé sklenice, která protéká otvorem ve dně do měděné trubice. Pod spirálou se zapálí oheň, který ohřívá měděnou nádobu. Horká pára stoupá vzhůru trubicí.

Aby byl mechanismus kompletní, je nutné na horní konec měděné trubky připevnit píst a setrvačník. V důsledku toho se tepelná energie spalování přemění na mechanické síly otáčení kola. Existuje obrovské množství různých schémat pro vytvoření takového motoru s vnějším spalováním, ale ve všech jsou vždy zapojeny dva prvky - oheň a voda.

Kromě tohoto provedení si můžete sestavit i parní, ale to je materiál na zcela samostatný článek.

Parní stroje se používaly jako hnací motor v čerpacích stanicích, lokomotivách, na parních lodích, traktorech, parních vozech a dalších vozidlech. Parní stroje přispěly k širokému komerčnímu využití strojů v podnicích a byly energetickým základem průmyslové revoluce 18. století. Parní stroje byly později nahrazeny spalovacími motory, parními turbínami, elektromotory a jadernými reaktory, které jsou účinnější.

Parní stroj v akci

vynález a vývoj

První známé zařízení poháněné párou bylo popsáno Herónem Alexandrijským v prvním století, tzv. „Valavčí koupel“ nebo „aeolipil“. Pára vycházející tangenciálně z trysek upevněných na kouli způsobila, že se koule otáčí. Předpokládá se, že přeměna páry na mechanický pohyb byla známa v Egyptě v období římské nadvlády a byla používána v jednoduchých zařízeních.

První průmyslové motory

Žádné z popsaných zařízení nebylo ve skutečnosti použito jako prostředek k řešení užitečných problémů. Prvním parním strojem použitým ve výrobě byl „požární stroj“, navržený anglickým vojenským inženýrem Thomasem Saverym v roce 1698. Savery získal patent na své zařízení v roce 1698. Bylo to pístové parní čerpadlo a zjevně nepříliš účinné, protože teplo páry se ztrácelo při každém ochlazení kontejneru, a při provozu bylo docela nebezpečné, protože kvůli vysokému tlaku páry se nádrže a potrubí motoru někdy explodoval. Vzhledem k tomu, že toto zařízení bylo možné použít jak k otáčení kol vodního mlýna, tak k čerpání vody z dolů, nazval jej vynálezce „horníkův přítel“.

Poté anglický kovář Thomas Newcomen v roce 1712 předvedl svůj „atmosférický motor“, což byl první parní stroj, po kterém mohla být komerční poptávka. Jednalo se o vylepšení Saveryho parního stroje, ve kterém Newcomen podstatně snížil provozní tlak páry. Newcomen mohl vycházet z popisu Papinových experimentů pořádaných Královskou společností v Londýně, ke kterým mohl mít přístup prostřednictvím člena společnosti Roberta Hooka, který s Papinem spolupracoval.

Schéma parního stroje Newcomen.
– Pára je zobrazena fialově, voda modře.
– Otevřené ventily jsou zobrazeny zeleně, uzavřené ventily červeně

První aplikací motoru Newcomen bylo čerpání vody z hlubinného dolu. V důlním čerpadle bylo vahadlo spojeno s tyčí, která se spouštěla do dolu do čerpací komory. Vratné pohyby tahu se přenášely na píst čerpadla, které přivádělo vodu nahoru. Ventily raných motorů Newcomen se otevíraly a zavíraly ručně. Prvním vylepšením byla automatizace ventilů, které byly poháněny samotným strojem. Legenda vypráví, že toto vylepšení provedl v roce 1713 chlapec Humphrey Potter, který musel otevírat a zavírat ventily; když ho to omrzelo, svázal držadla ventilů provazy a šel si hrát s dětmi. V roce 1715 byl již vytvořen pákový ovládací systém, poháněný mechanismem samotného motoru.

První dvouválcový vakuový parní stroj v Rusku zkonstruoval mechanik I. I. Polzunov v roce 1763 a sestrojil ho v roce 1764 pro pohon dmychadel v továrnách Barnaul Kolyvano-Voskresensky.

Humphrey Gainsborough sestrojil v 60. letech 18. století modelový kondenzátorový parní stroj. V roce 1769 si skotský mechanik James Watt (možná s využitím Gainsboroughových nápadů) patentoval první velká vylepšení Newcomenova vakuového motoru, díky kterému byl mnohem účinnější. Wattův příspěvek spočíval v oddělení kondenzační fáze vakuového motoru v samostatné komoře, zatímco píst a válec měly teplotu páry. Watt přidal k motoru Newcomen několik dalších důležitých detailů: umístil píst dovnitř válce k vytlačení páry a převedl vratný pohyb pístu na rotační pohyb hnacího kola.

Na základě těchto patentů sestrojil Watt v Birminghamu parní stroj. V roce 1782 byl Wattův parní stroj více než 3krát účinnější než Newcomenův. Zlepšení účinnosti Wattova motoru vedlo k využití parní energie v průmyslu. Wattův motor navíc na rozdíl od motoru Newcomen umožňoval přenášet rotační pohyb, zatímco u raných modelů parních strojů byl píst spojen s vahadlem, a nikoli přímo s ojnicí. Tento motor měl již hlavní rysy moderních parních strojů.

Dalším zvýšením účinnosti bylo použití vysokotlaké páry (Američan Oliver Evans a Angličan Richard Trevithick). R. Trevithick úspěšně postavil vysokotlaké průmyslové jednodobé motory, známé jako „cornishové motory“. Pracovaly při 50 psi nebo 345 kPa (3,405 atmosfér). S rostoucím tlakem však hrozilo i větší nebezpečí výbuchů strojů a kotlů, což zpočátku vedlo k četným nehodám. Z tohoto pohledu byl nejdůležitějším prvkem vysokotlakého stroje pojistný ventil, který uvolňoval přetlak. Spolehlivý a bezpečný provoz začal až shromažďováním zkušeností a standardizací postupů při stavbě, provozu a údržbě zařízení.

Francouzský vynálezce Nicolas-Joseph Cugnot předvedl v roce 1769 první funkční samohybné parní vozidlo: „fardier à vapeur“ (parní vozík). Možná lze jeho vynález považovat za první automobil. Samojízdný parní traktor se ukázal jako velmi užitečný jako mobilní zdroj mechanické energie, která uváděla do pohybu další zemědělské stroje: mlátičky, lisy atd. V roce 1788 již pravidelně provozoval parní člun Johna Fitche podél Řeka Delaware mezi Philadelphií (Pennsylvánie) a Burlingtonem (stát New York). Na palubu zvedl 30 cestujících a jel rychlostí 7-8 mil za hodinu. Parník J. Fitche nebyl komerčně úspěšný, protože jeho trase konkurovala dobrá pozemní silnice. V roce 1802 postavil skotský inženýr William Symington konkurenční parník a v roce 1807 americký inženýr Robert Fulton použil Wattův parní stroj k pohonu prvního komerčně úspěšného parníku. 21. února 1804 byla v železárnách Penydarren v Merthyr Tydfil v jižním Walesu vystavena první železniční parní lokomotiva s vlastním pohonem, kterou postavil Richard Trevithick.

Pístové parní stroje

Pístové motory využívají páru k pohybu pístu v utěsněné komoře nebo válci. Vratný pohyb pístu může být mechanicky převeden na lineární pohyb u pístových čerpadel nebo na rotační pohyb pro pohon rotujících částí obráběcích strojů nebo kol vozidel.

vakuové stroje

Brzy parní stroje byly nazývány nejprve “požární motory”, a také “atmosférický” nebo “kondenzační” Watt motory. Fungovaly na vakuovém principu a jsou proto známé také jako „vakuové motory“. Takové stroje fungovaly pro pohon pístových čerpadel, každopádně neexistuje žádný důkaz, že byly používány k jiným účelům. Při provozu parního stroje vakuového typu je na začátku cyklu přiváděna nízkotlaká pára do pracovní komory nebo válce. Vstupní ventil se poté uzavře a pára se ochladí a kondenzuje. U motoru Newcomen je chladicí voda rozstřikována přímo do válce a kondenzát uniká do sběrače kondenzátu. Tím se ve válci vytvoří vakuum. Atmosférický tlak v horní části válce tlačí na píst a způsobuje jeho pohyb dolů, tj. výkonový zdvih.

Neustálé chlazení a dohřívání pracovního válce stroje bylo velmi nehospodárné a neefektivní, nicméně tyto parní stroje umožňovaly čerpat vodu z větší hloubky, než bylo možné před jejich objevením. V roce se objevila verze parního stroje, kterou vytvořil Watt ve spolupráci s Matthew Boultonem, jejíž hlavní inovací bylo odstranění kondenzačního procesu ve speciální oddělené komoře (kondenzátoru). Tato komora byla umístěna do studené vodní lázně a připojena k válci trubicí uzavřenou ventilem. Ke kondenzační komoře byla připevněna speciální malá vývěva (prototyp vývěvy na kondenzát), poháněná vahadlem a sloužící k odvodu kondenzátu z kondenzátoru. Vzniklá teplá voda byla dodávána speciálním čerpadlem (prototyp napájecího čerpadla) zpět do kotle. Další radikální novinkou bylo uzavření horního konce pracovního válce, na jehož vrcholu byla nyní nízkotlaká pára. Stejná pára byla přítomna v dvojitém plášti válce a udržovala si konstantní teplotu. Při pohybu pístu směrem vzhůru byla tato pára převáděna speciálními trubkami do spodní části válce, aby při dalším zdvihu zkondenzovala. Stroj ve skutečnosti přestal být „atmosférický“ a jeho výkon nyní závisel na tlakovém rozdílu mezi nízkotlakou párou a vakuem, které bylo možné získat. U parního stroje Newcomen byl píst mazán malým množstvím vody nalité na jeho vrch, u Wattova motoru to bylo nemožné, protože pára byla nyní v horní části válce, bylo nutné přejít na mazání pomocí směs tuku a oleje. Stejné mazivo bylo použito v ucpávce tyče válců.

Vakuové parní stroje, přes zřejmá omezení jejich účinnosti, byly relativně bezpečné, využívaly nízkotlakou páru, což bylo zcela v souladu s obecně nízkou úrovní technologie kotlů 18. století. Výkon stroje byl omezen nízkým tlakem páry, velikostí válce, rychlostí spalování paliva a vypařování vody v kotli a velikostí kondenzátoru. Maximální teoretická účinnost byla omezena relativně malým teplotním rozdílem na obou stranách pístu; to způsobilo, že vakuové stroje určené pro průmyslové použití byly příliš velké a drahé.

Komprese

Výstupní otvor válce parního stroje se mírně uzavře dříve, než píst dosáhne své koncové polohy, přičemž ve válci zůstane část výfukové páry. To znamená, že v cyklu provozu dochází ke kompresní fázi, která tvoří tzv. „parní polštář“, který zpomaluje pohyb pístu v jeho krajních polohách. Eliminuje také náhlý pokles tlaku na samém začátku sací fáze, kdy čerstvá pára vstupuje do válce.

Záloha

Popsaný efekt „parního polštáře“ je umocněn i tím, že nasávání čerstvé páry do válce začíná o něco dříve, než píst dosáhne krajní polohy, tedy dochází k určitému předstihu sání. Tento předstih je nutný k tomu, aby před zahájením pracovního zdvihu pístu působením čerstvé páry stihla pára zaplnit mrtvý prostor, který vznikl v důsledku předchozí fáze, tedy sací a výfukové kanály a objem válce nevyužitý pro pohyb pístu.

jednoduché prodloužení

Jednoduchá expanze předpokládá, že pára funguje pouze tehdy, když expanduje ve válci, a výfuková pára se uvolňuje přímo do atmosféry nebo vstupuje do speciálního kondenzátoru. Zbytkové teplo páry pak lze využít například k vytápění místnosti nebo vozidla a také k předehřevu vody vstupující do kotle.

Sloučenina

Při procesu expanze ve válci vysokotlakého stroje klesá teplota páry úměrně s její expanzí. Protože nedochází k výměně tepla (adiabatický proces), ukazuje se, že pára vstupuje do válce s vyšší teplotou, než z něj vychází. Takové kolísání teploty ve válci vede ke snížení účinnosti procesu.

Jeden ze způsobů řešení tohoto teplotního rozdílu navrhl v roce 1804 anglický inženýr Arthur Wolfe, který si nechal patentovat Vysokotlaký složený parní stroj Wulff. U tohoto stroje se vysokoteplotní pára z parního kotle dostávala do vysokotlakého válce a následně v něm odváděná pára o nižší teplotě a tlaku vstupovala do nízkotlakého válce (nebo válců). Tím se snížil teplotní rozdíl v každém válci, což obecně snížilo teplotní ztráty a zlepšilo celkovou účinnost parního stroje. Nízkotlaká pára měla větší objem, a proto vyžadovala větší objem válce. Proto u složených strojů měly nízkotlaké válce větší průměr (a někdy i delší) než vysokotlaké válce.

Toto uspořádání je také známé jako "dvojitá expanze", protože expanze páry probíhá ve dvou fázích. Někdy byl jeden vysokotlaký válec spojen se dvěma nízkotlakými válci, takže vznikly tři přibližně stejně velké válce. Takové schéma bylo snazší vyvážit.

Dvouválcové míchací stroje lze klasifikovat jako:

Křížová směs- Válce jsou umístěny vedle sebe, jejich kanály pro vedení páry jsou překřížené.
Tandemová směs- Válce jsou uspořádány v sérii a používají jednu tyč.
Úhlová sloučenina- Válce jsou vůči sobě pod úhlem, obvykle 90 stupňů, a fungují na jednu kliku.

Po 80. letech 19. století se složené parní stroje rozšířily ve výrobě a dopravě a staly se prakticky jediným typem používaným na parnících. Jejich použití na parních lokomotivách nebylo tak rozšířené, protože se ukázaly jako příliš složité, částečně kvůli obtížným provozním podmínkám parních strojů v železniční dopravě. Přestože se složené lokomotivy nikdy nestaly fenoménem hlavního proudu (zejména ve Spojeném království, kde byly velmi vzácné a po třicátých letech se vůbec nepoužívaly), v několika zemích si získaly určitou popularitu.

Vícenásobné rozšíření

Zjednodušené schéma trojnásobného expanzního parního stroje.
Vysokotlaká pára (červená) z kotle prochází strojem a opouští kondenzátor pod nízkým tlakem (modrá).

Logickým vývojem složeného schématu bylo přidání dalších expanzních stupňů, které zvýšily efektivitu práce. Výsledkem bylo schéma vícenásobné expanze známé jako trojité nebo dokonce čtyřnásobné expanzní stroje. Takové parní stroje využívaly řadu dvojčinných válců, jejichž objem se s každým stupněm zvětšoval. Někdy se místo zvětšení objemu nízkotlakých lahví použilo zvýšení jejich počtu, stejně jako u některých složených strojů.

Na obrázku vpravo je v provozu trojitý expanzní parní stroj. Pára proudí strojem zleva doprava. Ventilový blok každého válce je umístěn vlevo od odpovídajícího válce.

Vzhled tohoto typu parních strojů se stal zvláště důležitým pro flotilu, protože požadavky na velikost a hmotnost lodních motorů nebyly příliš přísné, a co je nejdůležitější, toto schéma usnadnilo použití kondenzátoru, který vrací výfukovou páru ve formě čerstvé vody zpět do kotle (použití slané mořské vody k napájení kotlů nebylo možné). Pozemní parní stroje obvykle neměly problémy s dodávkou vody, a proto mohly vypouštět výfukovou páru do atmosféry. Proto pro ně bylo takové schéma méně relevantní, zejména s ohledem na jeho složitost, velikost a váhu. Nadvláda vícenásobných expanzních parních strojů skončila až s příchodem a rozšířením parních turbín. Moderní parní turbíny však využívají stejný princip rozdělování proudu do vysokotlakých, středotlakých a nízkotlakých válců.

Parní stroje s přímým prouděním

Průtokové parní stroje vznikly jako výsledek snahy překonat jednu nevýhodu parních strojů s tradičním rozvodem páry. Faktem je, že pára v běžném parním stroji neustále mění svůj směr pohybu, protože pro vstup i výstup páry se používá stejné okno na každé straně válce. Když výfuková pára opouští válec, ochlazuje jeho stěny a parní distribuční kanály. Čerstvá pára tedy spotřebuje určitou část energie na jejich ohřev, což vede k poklesu účinnosti. Průtočné parní stroje mají přídavný port, který se na konci každé fáze otevírá pístem a kterým pára opouští válec. To zlepšuje účinnost stroje, protože pára se pohybuje jedním směrem a teplotní gradient stěn válce zůstává víceméně konstantní. Průtočné stroje s jednou expanzí vykazují přibližně stejnou účinnost jako kombinované stroje s konvenčním rozvodem páry. Navíc mohou pracovat při vyšších otáčkách, a proto se před nástupem parních turbín často používaly k pohonu elektrocentrál, které vyžadují vysoké otáčky.

Průtočné parní stroje jsou jednočinné nebo dvojčinné.

Parní turbíny

Parní turbína je série točivých disků upevněných na jedné ose, nazývaných rotor turbíny, a série pevných disků, které se s nimi střídají, upevněných na základně, nazývané stator. Rotorové kotouče mají na vnější straně lopatky, k těmto lopatkám je přiváděna pára a otáčí disky. Kotouče statoru mají podobné lopatky nastavené v opačných úhlech, které slouží k přesměrování proudu páry na následující kotouče rotoru. Každý rotorový kotouč a jemu odpovídající statorový kotouč se nazývá turbínový stupeň. Počet a velikost stupňů každé turbíny se volí tak, aby se maximalizovala užitečná energie páry rychlosti a tlaku, která je do ní dodávána. Odpadní pára opouštějící turbínu vstupuje do kondenzátoru. Turbíny se točí velmi vysokými otáčkami, a proto se při přenosu výkonu na jiná zařízení běžně používají speciální převodovky s nižším stupněm poklesu. Turbíny navíc nemohou měnit svůj směr otáčení a často vyžadují další zpětné mechanismy (někdy se používají další stupně zpětného otáčení).

Turbíny přeměňují energii páry přímo na rotaci a nevyžadují další mechanismy pro přeměnu vratného pohybu na rotaci. Turbíny jsou navíc kompaktnější než pístové stroje a mají konstantní sílu na výstupní hřídel. Vzhledem k tomu, že turbíny jsou jednodušší konstrukce, vyžadují méně údržby.

Jiné typy parních strojů

aplikace

Parní stroje lze klasifikovat podle jejich použití takto:

Stacionární stroje

parní buchar

Parní stroj ve starém cukrovaru na Kubě

Stacionární parní stroje lze podle způsobu použití rozdělit do dvou typů:

Stroje s proměnlivým provozem, jako jsou válcovny, parní navijáky a podobná zařízení, která se musí často zastavovat a měnit směr.
Pohánějí stroje, které se málokdy zastaví a nemusí měnit směr otáčení. Patří mezi ně výkonové motory v elektrárnách, stejně jako průmyslové motory používané v továrnách, továrnách a lanových drahách před rozšířeným používáním elektrické trakce. Nízkovýkonové motory se používají v námořních modelech a ve speciálních zařízeních.

Parní naviják je v podstatě stacionární motor, ale namontovaný na základním rámu, aby se mohl pohybovat. Lze jej zajistit lankem ke kotvě a vlastním tahem přesunout na nové místo.

Dopravní vozidla

Parní motory byly použity k pohonu různých typů vozidel, mezi nimi:

Pozemní vozidla:
- parní vůz
- parní traktor
- Parní rypadlo, a dokonce
Parní letadlo.

V Rusku byla první provozní parní lokomotiva postavena E. A. a M. E. Čerepanovovými v závodě Nižnij Tagil v roce 1834 pro přepravu rudy. Vyvinul rychlost 13 mil za hodinu a nesl více než 200 liber (3,2 tuny) nákladu. Délka první železnice byla 850 m.

Výhody parních strojů

Hlavní výhodou parních strojů je, že mohou využít téměř jakýkoli zdroj tepla k jeho přeměně na mechanickou práci. To je odlišuje od spalovacích motorů, z nichž každý typ vyžaduje použití specifického druhu paliva. Tato výhoda je nejvíce patrná při využití jaderné energie, protože jaderný reaktor není schopen vyrábět mechanickou energii, ale pouze vyrábí teplo, které se využívá k výrobě páry, která pohání parní stroje (obvykle parní turbíny). Kromě toho existují další zdroje tepla, které nelze ve spalovacích motorech využít, například solární energie. Zajímavým směrem je využití energie rozdílu teplot Světového oceánu v různých hloubkách.

Podobné vlastnosti mají i další typy motorů s vnějším spalováním, např. Stirlingův motor, který dokáže poskytnout velmi vysokou účinnost, ale je výrazně větší a těžší než moderní typy parních strojů.

Parní lokomotivy fungují dobře ve vysokých nadmořských výškách, protože jejich účinnost neklesá kvůli nízkému atmosférickému tlaku. Parní lokomotivy se stále používají v horských oblastech Latinské Ameriky, a to i přesto, že v nížinách byly již dávno nahrazeny modernějšími typy lokomotiv.

Ve Švýcarsku (Brienz Rothhorn) a Rakousku (Schafberg Bahn) se osvědčily nové parní lokomotivy využívající suchou páru. Tento typ parní lokomotivy byl vyvinut na základě modelů švýcarských lokomotiv a strojíren (SLM) s mnoha moderními vylepšeními, jako je použití válečkových ložisek, moderní tepelná izolace, spalování lehkých ropných frakcí jako paliva, zdokonalené parovody atd. Díky tomu mají tyto lokomotivy o 60 % nižší spotřebu paliva a výrazně nižší nároky na údržbu. Ekonomické kvality takových lokomotiv jsou srovnatelné s moderními dieselovými a elektrickými lokomotivami.

Parní lokomotivy jsou navíc výrazně lehčí než dieselové a elektrické lokomotivy, což platí zejména pro horské dráhy. Charakteristickým rysem parních strojů je, že nepotřebují převodovku, která přenáší sílu přímo na kola.

Účinnost

Koeficient výkonu (COP) tepelného motoru lze definovat jako poměr užitečné mechanické práce k množství spotřebovaného tepla obsaženého v palivu. Zbytek energie se uvolňuje do okolí ve formě tepla. Účinnost tepelného motoru je

Vynechám prohlídku muzejní expozice a půjdu rovnou do strojovny. Zájemci najdou plnou verzi příspěvku v mém LiveJournalu. Strojovna se nachází v této budově:

29. Když jsem vešel dovnitř, zadýchal jsem se slastí - uvnitř haly byl ten nejkrásnější parní stroj, jaký jsem kdy viděl. Byl to skutečný chrám steampunku – posvátné místo pro všechny vyznavače estetiky parního věku. Byl jsem ohromen tím, co jsem viděl, a uvědomil jsem si, že ne nadarmo jsem vjel do tohoto města a navštívil toto muzeum.

30. Kromě obrovského parního stroje, který je hlavním muzejním objektem, zde byly představeny i různé ukázky menších parních strojů a na četných informačních stáncích byla vyprávěna historie parní techniky. Na tomto obrázku vidíte plně funkční parní stroj o výkonu 12 hp.

31. Ručička pro váhu. Stroj byl vytvořen v roce 1920.

32. Vedle hlavního muzejního exempláře je vystaven kompresor z roku 1940.

33. Tento kompresor byl v minulosti používán v železničních dílnách stanice Werdau.

34. Nuže, pojďme se nyní blíže podívat na ústřední exponát muzejní expozice - parní stroj o výkonu 600 koní vyrobený v roce 1899, kterému bude věnována druhá polovina tohoto příspěvku.

35. Parní stroj je symbolem průmyslové revoluce, která proběhla v Evropě koncem 18. a začátkem 19. století. Přestože první modely parních strojů vytvořili různí vynálezci na počátku 18. století, všechny byly pro průmyslové použití nevhodné, protože měly řadu nedostatků. Masové využití parních strojů v průmyslu se stalo možným až poté, co skotský vynálezce James Watt vylepšil mechanismus parního stroje, díky němuž byl snadno ovladatelný, bezpečný a pětkrát výkonnější než modely, které existovaly dříve.

36. James Watt patentoval svůj vynález v roce 1775 a již v 80. letech 19. století začaly jeho parní stroje pronikat do továren a staly se katalyzátorem průmyslové revoluce. Stalo se tak především proto, že Jamesi Wattovi se podařilo vytvořit mechanismus pro převod translačního pohybu parního stroje na rotační. Všechny parní stroje, které existovaly dříve, mohly produkovat pouze translační pohyby a mohly být použity pouze jako čerpadla. A Wattův vynález už mohl otáčet kolem mlýna nebo pohánět tovární stroje.

37. V roce 1800 vyrobila firma Watt a jeho společník Bolton 496 parních strojů, z nichž pouze 164 bylo použito jako čerpadla. A již v roce 1810 bylo v Anglii 5 tisíc parních strojů a tento počet se v následujících 15 letech ztrojnásobil. V roce 1790 začal mezi Philadelphií a Burlingtonem ve Spojených státech jezdit první parní člun s až třiceti cestujícími a v roce 1804 postavil Richard Trevintik první fungující parní lokomotivu. Začala éra parních strojů, která trvala celé devatenácté století a na železnici i první polovinu dvacátého století.

38. Toto bylo stručné historické pozadí, nyní zpět k hlavnímu předmětu muzejní expozice. Parní stroj, který vidíte na obrázcích, byl vyroben společností Zwikauer Maschinenfabrik AG v roce 1899 a instalován ve strojovně přádelny "C.F.Schmelzer und Sohn". Parní stroj byl určen k pohonu spřádacích strojů a v této roli se používal až do roku 1941.

39. Elegantní jmenovka. Průmyslové stroje se tehdy vyráběly s velkým důrazem na estetický vzhled a styl, důležitá byla nejen funkčnost, ale i krása, která se odráží v každém detailu tohoto stroje. Na začátku dvacátého století by si ošklivé vybavení prostě nikdo nekoupil.

40. Přádelna "C.F.Schmelzer und Sohn" byla založena v roce 1820 na místě dnešního muzea. Již v roce 1841 byl v továrně instalován první parní stroj o výkonu 8 koní. pro pohon spřádacích strojů, který byl v roce 1899 nahrazen novým, výkonnějším a modernějším.

41. Továrna existovala do roku 1941, poté byla výroba zastavena z důvodu vypuknutí války. Celých dvaačtyřicet let stroj sloužil svému účelu, jako pohon dopřádacích strojů, a po skončení války v letech 1945-1951 sloužil jako záložní zdroj elektrické energie, po kterém se konečně psalo mimo zůstatek podniku.

42. Stejně jako mnoho jejích bratrů by auto bylo rozřezané, nebýt jednoho faktoru. Tento stroj byl prvním parním strojem v Německu, který přijímal páru potrubím z kotelny umístěné v dálce. Navíc měla systém nastavení nápravy od PROELLu. Díky těmto faktorům získal vůz v roce 1959 statut historické památky a stal se muzeem. Bohužel všechny tovární budovy a objekt kotelny byly v roce 1992 zbourány. Tato strojovna je to jediné, co z bývalé přádelny zbylo.

43. Magická estetika parního věku!

44. Typový štítek na těle systému nastavení nápravy od PROELL. Systém reguloval cut-off - množství páry, která je vpuštěna do válce. Více odříznutí - vyšší účinnost, ale méně energie.

45. Nástroje.

46.Svou konstrukcí je tento stroj vícenásobným expanzním parním strojem (nebo jak se jim také říká složený stroj). U strojů tohoto typu pára expanduje postupně v několika válcích se zvětšujícím se objemem, procházejícím z válce na válec, což umožňuje výrazně zvýšit účinnost motoru. Tento stroj má tři válce: ve středu rámu je vysokotlaký válec - do něj byla přiváděna čerstvá pára z kotelny, poté byla pára po expanzním cyklu převedena do středotlakého válce, který je umístěn napravo od vysokotlakého válce.

47. Po dokončení práce se pára ze středotlakého válce přesunula do nízkotlakého válce, který vidíte na tomto obrázku, a po dokončení poslední expanze byla vypuštěna ven samostatným potrubím. Tím bylo dosaženo nejúplnějšího využití energie páry.

48. Stacionární výkon této instalace byl 400-450 hp, maximálně 600 hp.

49. Klíč na opravu a údržbu automobilů má působivou velikost. Pod ním jsou lana, pomocí kterých se přenášely rotační pohyby ze setrvačníku stroje na převod spojený s dopřádacími stroji.

50. Bezchybná estetika Belle Époque v každém šroubu.

51. Na tomto obrázku můžete detailně vidět zařízení stroje. Pára expandující ve válci předávala energii pístu, který zase prováděl translační pohyb, přenášel ji do klikového šoupátkového mechanismu, ve kterém byla přeměněna na rotační a přenášena na setrvačník a dále na převod.

52. K parnímu stroji byl v minulosti připojen i generátor elektrického proudu, který je rovněž zachován ve výborném původním stavu.

53. V minulosti se na tomto místě nacházel generátor.

54. Mechanismus pro přenos točivého momentu ze setrvačníku na generátor.

55. Nyní je na místo generátoru instalován elektromotor, s jehož pomocí se několik dní v roce uvádí do pohybu parní stroj pro zábavu veřejnosti. Každoročně se v muzeu konají „Parní dny“ – akce, která sdružuje příznivce a modeláře parních strojů. V těchto dnech se rozjíždí i parní stroj.

56. Původní DC generátor je nyní na vedlejší koleji. V minulosti sloužil k výrobě elektřiny pro osvětlení továren.

57. Vyrobeno "Elektrotechnische & Maschinenfabrik Ernst Walther" ve Werdau v roce 1899, podle informačního štítku, ale na původním štítku je rok 1901.

58. Jelikož jsem byl ten den jediným návštěvníkem muzea, nikdo mi nebránil užít si estetiku tohoto místa jeden na jednoho s autem. Absence lidí navíc přispěla k získání dobrých fotek.

59. Nyní pár slov o přenosu. Jak vidíte na tomto obrázku, plocha setrvačníku má 12 lanových drážek, pomocí kterých se rotační pohyb setrvačníku přenášel dále na převodové prvky.

60. Převodovka, sestávající z kol různého průměru spojených hřídelí, rozváděla rotační pohyb do několika pater tovární budovy, na které byly umístěny spřádací stroje, poháněné energií přenášenou převodem z parního stroje.

61. Setrvačník s drážkami pro lana zblízka.

62. Jsou zde dobře patrné převodové prvky, pomocí kterých byl krouticí moment přenášen na hřídel procházející pod zemí a přenášející rotační pohyb na tovární budovu sousedící se strojovnou, ve které byly stroje umístěny.

63. Tovární budova se bohužel nedochovala a za dveřmi, které vedly do sousední budovy, je nyní jen prázdnota.

64. Samostatně stojí za zmínku elektrický ovládací panel, který je sám o sobě uměleckým dílem.

65. Mramorová deska v krásném dřevěném rámu s řadami páček a pojistek, luxusní lucerna, stylové spotřebiče - Belle Époque v celé své kráse.

66. Dvě obrovské pojistky umístěné mezi lucernou a přístroji jsou působivé.

67. Pojistky, páky, regulátory - veškeré vybavení je esteticky příjemné. Je vidět, že při tvorbě tohoto štítu bylo dbáno v neposlední řadě i na vzhled.

68. Pod každou páčkou a pojistkou je "tlačítko" s nápisem, že tato páčka zapíná/vypíná.

69. Nádhera techniky období „krásné éry“.

70. Na konci příběhu se vraťme k autu a vychutnejme si slastnou harmonii a estetiku jeho detailů.

71. Regulační ventily pro jednotlivé součásti stroje.

72. Odkapávací olejničky určené k mazání pohyblivých částí a sestav stroje.

73. Toto zařízení se nazývá mazací armatura. Z pohyblivé části stroje se uvádějí do pohybu šneky, které pohybují mazacím pístem a ten pumpuje olej na třecí plochy. Poté, co píst dosáhne úvratě, je otočením rukojetí zvednut zpět a cyklus se opakuje.