Современный мир заставляет многих изобретателей снова возвращаться к идее применения паровой установки в средствах, предназначенных для перемещения. В машинах есть возможность использовать несколько вариантов силовых агрегатов, работающих на пару.

Поршневой мотор

Современные паровые двигатели можно распределить на несколько групп:

Конструктивно установка включает в себя:

• пусковое устройство;
• силовой блок двухцилиндровый;
• парогенератор в специальном контейнере, снабженный змеевиком.

Процесс происходит следующим образом. После включения зажигания начинает поступать питание от аккумуляторной электробатареи трех двигателей. От первого в работу приводится воздуходувка, прокачивающая воздушные массы по радиатору и передающая их по воздушным каналам в смесительное устройство с горелкой.

Одновременно с этим очередной электромотор активирует насос перекачки топлива, подающий конденсатные массы из бачка по змеевидному устройству подогревательного элемента в корпусную часть отделителя воды и подогреватель, находящийся в экономайзере, в паровой генератор.
До начала запуска пару нет возможности пройти к цилиндрам, так как путь ему перекрывают клапан дросселя или золотник, которые приводятся в управление кулисной механикой. Поворачивая ручки в сторону, необходимую для передвижения, и приоткрывая клапан, механик приводит в работу паровой механизм.
Отработанные пары по единому коллектору поступают на распределительный кран, в котором разделяются на пару неодинаковых долей. Меньшая по объему часть попадает в сопло смесительной горелки, перемешивается с воздушной массой, воспламеняется от свечи. Появившееся пламя начинает подогревать контейнер. После этого продукт сгорания переходит в водоотделитель, происходит конденсирование влаги, стекающей в специальный бак для воды. Оставшийся газ уходит наружу.

Паровая установка может напрямую соединяться с приводным устройством трансмиссии машины, и с началом ее работы машина приходит в движение. Но с целью повышения кпд специалисты рекомендуют использовать механику сцепления. Это удобно при буксировочных работах и разных проверочных действиях.

Аппарат отличается способностью работать практически без ограничений, возможны перегрузки, имеется большой диапазон регулировки мощностных показателей. Следует добавить, что во время любой остановки паровой двигатель перестает работать, чего нельзя сказать про мотор.

В конструкции нет необходимости устанавливать коробку переключения скоростей, страртерное устройство, фильтр для очистки воздуха, карбюратор, турбонаддув. Кроме этого, система зажигания в упрощенном варианте, свеча только одна.

В завершении можно добавить, что производство таких машин и их эксплуатация будут обходиться дешевле, чем автомобили с двигателем внутреннего сгорания, так как топливо будет недорогим, материалы, применяемые в производстве – самыми дешевыми.

Осмотр музейной экспозиции я пропущу и перейду сразу к машинному залу. Кому интересно, тот может найти полную версию поста у меня в жж. Машинный зал находится в этом здании:

29. Зайдя внутрь, у меня сперло дыхание от восторга - внутри зала была самая красивая паровая машина из всех, что мне доводилось видеть. Это был настоящий храм стимпанка - сакральное место для всех адептов эстетики паровой эры. Я был поражен увиденным и понял, что совершенно не зря заехал в этот городок и посетил этот музей.

30. Помимо огромной паровой машины, являющейся главным музейным объектом, тут также были представлены различные образцы паровых машин поменьше, а на многочисленных инфостендах рассказывалась история паровой техники. На этом снимке вы видите полностью функционирующую паровую машину, мощностью 12 л.с.

31. Рука для масштаба. Машина была создана в 1920 году.

32. Рядом с главным музейным экземпляром экспонируется компрессор 1940 года выпуска.

33. Этот компрессор в прошлом использовался в железнодорожных мастерских вокзала Вердау.

34. Ну а теперь рассмотрим детальней центральный экспонат музейной экспозиции - паровую 600-сильную машину 1899 года выпуска, которой и будет посвящена вторая половина этого поста.

35. Паровая машина является символом индустриальной революции, произошедшей в Европе в конце 18-го - начала 19-го века. Хотя первые образцы паровых машин создавались различными изобретателями еще в начале 18-го века, но все они были непригодны для промышленного использования так как обладали рядом недостатков. Массовое применение паровых машин в индустрии стало возможным лишь после того, как шотландский изобретатель Джеймс Уатт усовершенствовал механизм паровой машины, сделав ее легкой в управлении, безопасной и в пять раз мощней существовавших до этого образцов.

36. Джеймс Уатт запатентовал свое изобретение в 1775 году и уже в 1880-х годах его паровые машины начинают проникать на предприятия, став катализатором индустриальной революции. Произошло это прежде всего потому, что Джеймсу Уатту удалось создать механизм преобразования поступательного движения паровой машины во вращательное. Все существовавшие до этого паровые машины могли производить лишь поступательные движения и использоваться только лишь в качестве насосов. А изобретение Уатта уже могло вращать колесо мельницы или привод фабричных станков.

37. В 1800 году фирма Уатта и его компаньона Болтона произвела 496 паровых машин из которых лишь 164 использовались в качестве насосов. А уже в 1810 году в Англии насчитывалось 5 тысяч паровых машин, и это число в ближайшие 15 лет утроилось. В 1790 году между Филадельфией и Берлингтоном в США стала курсировать первая паровая лодка, перевозившая до тридцати пассажиров, а в 1804 году Ричард Тревинтик построил первый действующий паровой локомотив. Началась эра паровых машин, которая продлилась весь девятнадцатый век, а на железной дороге и первую половину двадцатого.

38. Это была краткая историческая справка, теперь вернемся к главному объекту музейной экспозиции. Паровая машина, которую вы видите на снимках, была произведена фирмой Zwikauer Maschinenfabrik AG в 1899 году и установлена в машинном зале прядильной фабрики "C.F.Schmelzer und Sohn". Паровая машина предназначалась для привода прядильных станков и в этой роли использовалась вплоть до 1941 года.

39. Шикарный шильдик. В то время индустриальная техника делалась с большим вниманием к эстетическому виду и стилю, была важна не только функциональность, но и красота, что отражено в каждой детали этой машины. В начале ХХ века некрасивую технику просто никто бы не купил.

40. Прядильная фабрика "C.F.Schmelzer und Sohn" была основана в 1820 году на месте теперешнего музея. Уже в 1841 году на фабрике была установлена первая паровая машина, мощностью 8 л.с. для привода прядильных машин, которая в 1899 году была заменена новой более мощной и современной.

41. Фабрика просуществовала до 1941 года, затем производство было остановлено в связи с началом войны. Все сорок два года машина использовалась по назначению, в качестве привода прядильных станков, а после окончания войны в 1945 - 1951 годы служила в качестве резервного источника электроэнергии, после чего была окончательно списана с баланса предприятия.

42. Как и многих ее собратьев, машину ждал бы распил, если бы не один фактор. Данная машина являлась первой паровой машиной Германии, которая получала пар по трубам от расположенной в отдалении котельной. Кроме того она обладала системой регулировки осей от фирмы PROELL. Благодаря этим факторам машина получила в 1959 году статус исторического памятника и стала музейной. К сожалению, все фабричные корпуса и корпус котельной были снесены в 1992 году. Этот машинный зал - единственное, что осталось от бывшей прядильной фабрики.

43. Волшебная эстетика паровой эры!

44. Шильдик на корпусе системы регулировки осей от фирмы PROELL. Система регулировала отсечку - количество пара, которое впускается в цилиндр. Больше отсечка - больше экономичность, но меньше мощность.

45. Приборы.

46. По своей конструкции данная машина является паровой машиной многократного расширения (или как их еще называют компаунд-машиной). В машинах этого типа пар последовательно расширяется в нескольких цилиндрах возрастающего объёма, переходя из цилиндра в цилиндр, что позволяет значительно повысить коэфициент полезного действия двигателя. Эта машина имеет три цилиндра: в центре кадра находится цилиндр высокого давления - именно в него подавался свежий пар из котельной, затем после цикла расширения, пар перепускался в цилиндр среднего давления, что расположен справа от цилиндра высокого давления.

47. Совершив работу, пар из цилиндра среднего давления перемещался в цилиндр низкого давления, который вы видите на этом снимке, после чего, совершив последнее расширение, выпускался наружу по отдельной трубе. Таким образом достигалось наиболее полное использование энергии пара.

48. Стационарная мощность этой установки составляла 400-450 л.с., максимальная 600 л.с.

49. Гаечный коюч для ремонта и обслуживания машины впечатляет размерами. Под ним канаты, при помощи которых вращательное движения передавалось с маховика машины на трансмиссию, соединенную с прядильными станками.

50. Безупречная эстетика Belle Époque в каждом винтике.

51. На этом снимке можно детально рассмотреть устройство машины. Расширяющийся в цилиндре пар передавал энергию на поршень, который в свою очередь осуществлял поступательное движение, передавая его на кривошипно-ползунный механизм, в котором оно трансформировалось во вращательное и передавалось на маховик и дальше на трансмиссию.

52. В прошлом с паровой машиной также был соединен генератор электрического тока, который тоже сохранился в прекрасном оригинальном состоянии.

53. В прошлом генератор находился на этом месте.

54. Механизм для передачи крутящего момента с маховика на генератор.

55. Сейчас на месте генератора установлен электродвигатель, при помощи которого несколько дней в году паровую машину приводят в движение на потеху публике. В музее каждый год проводятся "Дни пара" - мероприятие, объединяющее любителей и моделистов паровых машин. В эти дни паровая машина тоже приводится в движение.

56. Оригинальный генератор постоянного тока стоит теперь в сторонке. В прошлом он использовался для выработки электричества для освещения фабрики.

57. Произведен фирмой "Elektrotechnische & Maschinenfabrik Ernst Walther" в Вердау в 1899 году, если верить инфотабличке, но на оригинальном шильдике стоит год 1901.

58. Так как я был единственным посетителем музея в тот день, никто не мешал мне наслаждаться эстетикой этого места один-на-один c машиной. К тому же отсутствие людей способстовало получению хороших фотографий.

59. Теперь пару слов о трансмиссии. Как видно на этом снимке, поверхность маховика обладает 12 канавками для канатов, при помощи которых вращательное движение маховика передавалось дальше на элементы трансмиссии.

60. Трансмиссия, состоящая из колес различного диаметра, соединенных валами, распределяла вращательное движение на несколько этажей фабричного корпуса, на которых распологались прядильные станки, работающие от энергии, переданной при помощи трансмиссии от паровой машины.

61. Маховик с канавками для канатов крупным планом.

62. Тут хорошо видны элементы трансмиссии, при помощи которых крутящий момент передавался на вал, проходящий под землей и передающий вращательное движение в прилегающий к машинному залу корпус фабрики, в котором располагались станки.

63. К сожалению, фабричное здание не сохранилось и за дверью, что вела в соседний корпус, теперь лишь пустота.

64. Отдельно стоит отметить щит управления электрооборудованием, который сам по себе является произведением искусства.

65. Мраморная доска в красивой деревянной рамке с расположенной на ней рядами рычажков и предохранителей, роскошный фонарь, стильные приборы - Belle Époque во всей красе.

66. Два огромных предохранителя, расположенные между фонарем и приборами впечатляют.

67. Предохранители, рычажки, регуляторы - все оборудование эстетически привлекательно. Видно, что при создании этого щита о внешнем виде заботились далеко не в последнюю очередь.

68. Под каждым рычажком и предохранителем расположена "пуговка" с надписью, что этот рычажок включает/выключает.

69. Великолепие техники периода "прекрасной эпохи ".

70. В завершении рассказа вернемся к машине и насладимся восхитительной гармонией и эстетикой ее деталей.

71. Вентили управления отдельными узлами машины.

72. Капельные масленки, предназначенные для смазки движущихся узлов и агрегатов машины.

73. Этот прибор называется пресс-масленка. От движущейся части машины приводятся в движение червяки, перемещающие поршень масленки, а он нагнетает масло к трущимся поверхностям. После того, как поршень дойдет до мертвой точки, его вращением ручки поднимают назад и цикл повторяется.

74. До чего же красиво! Чистый восторг!

75. Цилиндры машины с колонками впускных клапанов.

76. Еще масленки.

77. Эстетика стимпанка в классическом виде.

78. Распределительный вал машины, регулирующий подачу пара в цилиндры.

79.

80.

81. Все это очень очень красиво! Я получил огромный заряд вдохновения и радостных эмоций во время посещения этого машинного зала.

82. Если вас вдруг судьба занесет в регион Цвикау, посетите обязательно этот музей, не пожалеете. Сайт музея и его координаты: 50°43"58"N 12°22"25"E

Принцип действия парового двигателя

Содeржание

Аннотация

1. Теоретическая часть

1.1 Временная цепочка

1.2 Паровой двигатель

1.2.1 Паровой котёл

1.2.2 Паровые турбины

1.3 Паровые машины

1.3.1 Первые пароходы

1.3.2 Зарождение двухколесного транспорта

1.4 Применение паровых двигателей

1.4.1 Преимущество паровых машин

1.4.2 Коэффициент полезного действия

2. Практическая часть

2.1 Построение механизма

2.2 Способы улучшения машины и ее КПД

2.3 Анкетирование

Заключение

Список используемой литературы

Приложение

паровой двигатель полезное действие

Аннотация

Данная научная работа состоит из 32листов.Она включает в себя теоретическую часть, практическую часть, приложение и заключение. В теоретической части вы узнаете о принципе работы паровых двигателей и механизмов, об их истории и о роли их применения в жизни. Практической части подробно рассказано о процессе конструирования и испытаниях парового механизма в домашних условиях. Данная научная работа может служить наглядным примером работы и использованияэнергиипара.

Введение

Мир покорных любым капризам природы, где машины приводятся в действие мускульной силой или силой водяных колёс и ветряных мельниц - таким был мир техники до создания парового двигателя.Еще в древние времена человек обратил внимание на то, что струя водяного пара, вырываясь из сосуда, поставленного на огонь, способна сместить препятствие (например, лист бумаги), оказавшееся на ее пути.Это заставило человека задуматься над тем, как можно использовать в качестве рабочего тела пар. В результате этого после множества опытов появился паровой двигатель.И представьте себе заводы с дымящимися трубами, паровые машины и турбины, паровозы и пароходы - весь сложный и могучий мир паротехники созданный человекомПаровая машина была практически единственным универсальным двигателем и сыграла огромную роль в развитии человечества.Изобретение паровой машины послужило толчком для дальнейшего развития средств передвижения. В течение ста лет она была единственным промышленным двигателем, универсальность которого позволяла использовать ее на предприятиях, железных дорогах и на флоте.Изобретение парового двигателя является огромным рывком, стоявшим на рубеже двух эпох. И через столетия, ещё острее ощущается вся значимость этого изобретения.

Гипотеза:

Возможно, ли построить своими руками простейший механизм, работавший на пару.

Цель работы: сконструировать механизм способный двигаться на пару.

Задача исследования:

1. Изучить научную литературу.

2. Сконструировать и построить простейший механизм, работавший на пару.

3. Рассмотреть возможности увеличения КПД в дальнейшем.

Данная научная работа будет служить пособием на уроках физики для старших классов и для тех, кого интересует данная тема.

1. Т ео р е тическая часть

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

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

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

1.1 Времянная цепочка

4000 лет до н. э. - человек изобрел колесо.

3000 лет до н. э. - в Древнем Риме появились первые дороги.

2000 лет до н. э. - колесо приобрело более привычный для нас вид. У него появились ступица, обод и соединяющие их спицы.

1700 г. до н. э. - появились первые дороги, мощенные деревянными брусками.

312 г. до н. э. - в Древнем Риме построены первые дороги с каменным покрытием. Толщина каменной кладки достигала одного метра.

1405 г. - появились первые рессорные конные экипажи.

1510 г. - конный экипаж приобрел кузов со стенами и крышей. Пассажиры получили возможность защититься от непогоды во время поездки.

1526 г. - немецкий ученый и художник Альбрехт Дюрер разработал интересный проект «безлошадной повозки», приводимой в действие мышечной силой людей. Люди, идущие сбоку экипажа, вращали специальные рукоятки. Это вращение с помощью червячного механизма передавалось колесам экипажа. К сожалению, повозка не была изготовлена.

1600 г. - Симон Стевин построил яхту на колесах, двигающуюся под действием силы ветра. Она стала первой конструкцией безлошадной повозки.

1610 г. - кареты претерпели два существенных усовершенствования. Во-первых, ненадежные и слишком мягкие ремни, укачивающие пассажиров во время поездки, были заменены стальными рессорами. Во-вторых, была усовершенствована конная упряжь. Теперь лошадь тянула карету не шеей, а грудью.

1649 г. - прошли первые испытания по использованию в качестве движущей силы пружины, предварительно закрученной человеком. Карету с приводом от пружины построил Йоханн Хауч в Нюрнберге. Однако историки эти сведения ставят под сомнение, поскольку существует версия, что вместо большой пружины внутри кареты сидел человек, который и приводил механизм в движение.

1680 г. - в крупных городах появились первые образцы конного общественного транспорта.

1690 г. - Стефан Фарффлер из Нюрнберга создал трехколесную повозку, передвигающуюся с помощью двух ручек, вращаемых руками. Благодаря этому приводу конструктор повозки мог перемещаться с места на место без помощи ног.

1698 г. - англичанин Томас Севери построил первый паровой котел.

1741 г. - русский механик-самоучка Леонтий Лукьянович Шамшуренков послал в Нижегородскую губернскую канцелярию «доношенье» с описанием «самобеглой коляски».

1769 г. - французский изобретатель Кюньо построил первый в мире паровой автомобиль.

1784 г. - Джеймс Уатт создал первую паровую машину.

1791 г. - Иван Кулибин сконструировал трехколесную самоходную коляску, вмещавшую двух пассажиров. Привод осуществлялся с помощью педального механизма.

1794 г. - паровую машину Кюньо сдали в «хранилище машин, инструментов, моделей, рисунков и описаний по всем видам искусств и ремесел» в качестве очередной механической диковинки.

1800 г. - существует мнение, что именно в этом году в России был построен первый в мире велосипед. Его автором был крепостной Ефим Артамонов.

1808 г. - на улицах Парижа появился первый французский велосипед. Он был изготовлен из дерева и состоял из перекладины, соединяющей два колеса. В отличие от современного велосипеда, у него не было руля и педалей.

1810 г. - в Америке и странах Европы начала зарождаться каретная промышленность. В крупных городах появились целые улицы и даже кварталы, заселенные мастерами-каретниками.

1816 г. - немецкий изобретатель Карл Фридрих Драйз построил машину, напоминающую современный велосипед. Едва появившись на улицах города, она получила название «беговой машины», так как ее хозяин, отталкиваясь ногами, фактически бежал по земле.

1834 г. - в Париже проводились испытания парусного экипажа, сконструированного М. Хакуетом. Этот экипаж имел мачту высотой 12 м.

1868 г. - считается, что в этот год французом Эрне Мишо был создан прообраз современного мотоцикла.

1871 г. - французский изобретатель Луи Перро разработал паровую машину для велосипеда.

1874г. - в России построен паровой колесный тягач. В качестве прототипа был использован английский автомобиль «Эвелин Портер».

1875г. - в Париже прошла демонстрация первой паровой машины Амадея Бдлли.

1884 г. - американец Луис Копленд построил мотоцикл, на котором паровой мотор был установлен над передним колесом. Такая конструкция могла разогнаться до 18 км/ч.

1901г. - в России построен легковой паромобиль московского велосипедного завода «Дукс».

1902г. - Леон Серполле на одном из своих паровых автомобилей установил мировой рекорд скорости - 120 км/ч.

Годом позже он установил еще один рекорд - 144 км/ч.

1905 г. - американец Ф. Мариотт на паровом автомобиле превысил скорость 200 км

1.2 Паровой двигатель

Двигатель, приводимый в действие силой пара. Пар, получаемый путем нагрева воды, используют для движения. В некоторых двигателях сила пара заставляет двигаться поршни, расположенные в цилиндрах. Таким образом создается возвратно-поступательное движение. Подсоединенный механизм обычно преобразует его во вращательное движение. В паровозах (локомотивах) используются Поршневые двигатели. В качестве двигателей используют также паровые турбины, которые дают непосредственно вращательное движение, вращая ряд колес с лопатками. Паровые турбины приводят в действие генераторы электростанций и винты кораблей. В любом паровом двигателе происходит превращение тепла, вырабатываемого при нагреве воды в паровом котле (бойлере) в энергию движения. Тепло может подаваться от сжигания топлива в печи или от атомного реактора. Самый первый в истории паровой двигателей представлял собой род насоса, при помощи которого откачивали воду, заливающую шахты. Его изобрел в 1689 г. Томас Сэйвери. В этой машине, совсем простой по конструкции, пар конденсировался, превращаясь в небольшое количество воды, и за счет этого создавался частичный вакуум, благодаря чему отсасывалась вода из шахтного ствола. В 1712 г. Томас Ньюкомен изобрел поршневой насос, приводимый в действие паром. В 1760-е гг. Джеймс Ватт улучшил конструкцию Ньюкомена и создал намного более эффективные паровые двигатели. Вскоре их стали использовать на фабриках для приведения в действие станков. В 1884 г. английский инженер Чарльз Пар-соне (1854-1931) изобрел первую применимую на практике паровую турбину. Его конструкции были настолько эффективны, что ими вскоре стали заменять паровые двигатели возвратно-поступательного действия на электростанциях. Наиболее удивительным достижением в области паровых двигателей было создание полностью замкнутого, работающего парового двигателя микроскопических размеров. Японские ученые создали его, используя методы, служащие для изготовления интегральных схем. Небольшой ток, проходящий по электронагревательному элементу, превращает каплю воды в пар, который движет поршень. Теперь ученым предстоит открыть, в каких областях это устройство может найти практическое применение.

Как работает паровой двигатель

Тепловые двигатели

Машины, производящие механическую работу в результате обмена теплотой с окружающими телами, называются тепловыми двигателями. Во всех типах таких двигателей непрерывное или периодически повторяющееся получение работы возможно только в том случае, когда совершающая работу машина не только получает тепло от какого-то тела (нагревателя), но и отдает часть тепла другому телу (охладителю).

На рисунке, выполненном неизвестным художником согласно указаниям Исаака Ньютона(1642-1727), показано устройство упрощенного экипажа, использующего для движения реактивную силу струи пара.

Паровые двигатели

В середине XVII века были сделаны первые попытки перехода к машинному производству, потребовавшие создания двигателей, не зависящих от местных источников энергии (воды, ветра и пр.). Первым двигателем, в котором использовалось тепловая энергия химического топлива стала пароатмосферная машина, изготовленная по проектам французского физика Дени Папена и английского механика Томаса Севери. Эта машина была лишена возможности непосредственно служить механическим приводом, к ней «прилагалось в комплект» водяное мельничное колесо (по-современному говоря, водяная турбина), которое вращала вода, выжимаемая паром из котла паровой машины в резервуар водонапорной башни. Котел то подогревался паром, то охлаждался водой: машина действовала периодически.

Принцип работы парового двигателя

Настоящая паровая машина работает вот как: вода в закрытом котле доводится до кипения. Пар может выйти только через отверстие, которое ведет в специальную трубу.

В этой трубе, которая называется цилиндром, находится подвижный поршень. Пар давит на поршень, и тот двигает шатун, который крутит маховик.

После того как пар выполнит эту работу, он выходит через клапан и попадает в систему трубок.

Мощные паровые машины, естественно, имеют чрезвычайно сложную конструкцию.

Принцип действия парового двигателя

Поршень образует в цилиндре паровой машины одну или две полости переменного объёма, в которых совершаются процессы сжатия и расширения.

Работа поршня 1 посредством штока 2, ползуна 3, шатуна 4 и кривошипа 5 передаётся главному валу 6, несущему маховик 7, который служит для снижения неравномерности вращения вала. Эксцентрик, сидящий на главном валу, с помощью эксцентриковой тяги приводит в движение золотник 8, управляющий впуском пара в полости цилиндра. Пар из цилиндра выпускается в атмосферу или поступает в конденсатор. Для поддержания постоянного числа оборотов вала при изменяющейся нагрузке паровые машины снабжаются центробежным регулятором 9, автоматически изменяющим сечение прохода пара, поступающего в паровую машину (дроссельное регулирование, показано на рисунке), или момент отсечки наполнения (количественное регулирование).

Классификация паровых двигателей

Паровые машины разделяются:

по назначению

стационарные

нестационарные (передвижные и транспортные)

по используемому пару

низкого давления (до 12 кг/см²)

среднего давления (до 60 кг/см²)

высокого давления (свыше 60 кг/см²)

по числу оборотов вала

тихоходные (до 50 об/мин, как на колёсных пароходах)

быстроходные

по давлению выпускаемого пара

на конденсационные (давление в конденсаторе 0,1-0,2 ата)

выхлопные (с давлением 1,1-1,2 ата)

теплофикационные с отбором пара на нагревательные цели или для паровых турбин давлением от 1,2 ата до 60 ата в зависимости от назначения отбора (отопление, регенерация, технологические процессы, срабатывание высоких перепадов в предвключённых паровых турбинах).

По расположению цилиндров

горизонтальные

наклонные

вертикальные

по числу цилиндров

одноцилиндровые

многоцилиндровые

сдвоенные, строенные и т. д., в которых каждый цилиндр питается свежим паром

паровые машины многократного расширения, в которых пар последовательно расширяется в 2, 3, 4 цилиндрах возрастающего объёма, переходя из цилиндра в цилиндр через т. н. ресиверы (коллекторы).

По типу передаточного механизма паровые машины многократного расширения делятся на тандем-машины и компаунд-машины. Особую группу составляют прямоточные паровые машины, в которых выпуск пара из полости цилиндра осуществляется кромкой поршня.

Паровой двигатель

Это двигатель, приводимый в действие силой пара. Пар, получаемый путем нагрева воды, используют для движения. В некоторых двигателях сила пара заставляет двигаться поршни, расположенные в цилиндрах. Т.о. создается возвратно-поступательное движение. Подсоединенный механизм обычно преобразует его во вращательное движение. В паровозах (локомотивах) используются поршневые двигатели. В качестве двигателей используют также паровые турбины, которые дают непосредственно вращательное движение, вращая ряд колес с лопатками. Паровые турбины приводят в действие генераторы электростанций и винты кораблей. В любом паровом двигателе происходит превращение тепла, вырабатываемого при нагреве воды в паровом котле (бойлере) в энергию движения. Тепло может подаваться от сжигания топлива в печи или от атомного реактора.

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

Паровая машина в действии

Изобретение и развитие

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

Первые промышленные двигатели

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Паровые машины с возвратно-поступательным движением

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

Вакуумные машины

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

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 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.

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.

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

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

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

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

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

Прямоточные паровые машины

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

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

Паровые турбины

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.

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:

• Сухопутные транспортные средства:
  • Паровой автомобиль
  • 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) -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

,