Паровою машиною називається тепловий двигун, в якому потенційна енергія пари, що розширюється, перетворюється в механічну енергію, що віддається споживачеві.

З принципом дії машини ознайомимося, скориставшись спрощеною схемою фіг. 1.

Всередині 2 циліндра знаходиться поршень 10, який може переміщатися вперед і назад під тиском пари; в циліндрі є чотири канали, які можуть відкриватися та закриватися. Два верхніх паропідвідних канали1 і3 з'єднані трубопроводом з паровим котлом, і через них у циліндр може надходити свіжа пара. Через два нижні капали 9 і 11 пар, що вже здійснив роботу, випускається з циліндра.

На схемі показаний момент, коли канали 1 і 9 відкриті, канали 3 та11 закриті. Тому свіжа пара з котла каналом1 надходить у ліву порожнину циліндра та своїм тиском переміщає поршень вправо; в цей час пар, що відпрацював, по каналу 9 з правої порожнини циліндра видаляється. При крайньому правому положенні поршня.1 і9 закриті, а 3 для впуску свіжої пари і 11 для випуску пари відкриті, внаслідок чого поршень переміститься вліво. При крайньому лівому положенні поршня відкриваються канали1 9 і закриваються канали 3 і 11 і процес повторюється. Таким чином, створюється прямолінійний зворотно-поступальний рух поршня.

Для перетворення цього руху на обертальне застосовується так званий кривошипно-шатунний механізм. Він складається з штока поршневого - 4, з'єднаного одним кінцем з поршнем, а іншим шарнірно, за допомогою повзуна (крейцкопфа) 5, ковзного між напрямними паралелями, з шатуном 6, який передає рух, на корінний вал 7 через його коліно або кривошип 8.

Величина моменту, що крутить, на корінному валу не є постійною. Справді, силуР , спрямовану вздовж штока (фіг. 2), можна розкласти на дві складові:До , спрямовану вздовж шатуна, таN , перпендикулярну до площини напрямних паралелей. Сила N не впливає на рух, а тільки притискає повзун до напрямних паралелей. СилаДо передається вздовж шатуна і діє кривошип. Тут її знову можна розкласти на дві складові: силуZ , спрямовану по радіусу кривошипа і притискаючу вал до підшипників, і силуТ перпендикулярну до кривошипу і викликає обертання валу. Розмір сили Т визначиться з розгляду трикутника AKZ. Оскільки кут ZAK = ? +?, то

Т = К sin (? + ?).

Але з трикутника ДКР сила

K= P/ cos ?

тому

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

При роботі машини за один оборот валу кути? і? і силаР безперервно змінюються, а тому величина крутної (тангенціальної) силиТ також змінна. Щоб створити рівномірне обертання корінного валу протягом одного обороту, на нього насаджують важке колесо-маховик, за рахунок інерції якого підтримується постійна кутова швидкістьобертання валу. У ті моменти, коли силаТ зростає, вона не може відразу ж збільшити швидкість обертання валу, поки не прискориться рух маховика, чого не відбувається миттєво, так як маховик має велику масу. У ті моменти, коли робота, що виконується крутною силоюТ , стає менше роботисил опору, створюваних споживачем, маховик знову-таки через свою інерцію неспроможна відразу зменшити свою швидкість і, віддаючи отриману при своєму розгоні енергію, допомагає поршню долати навантаження.

За крайніх положень поршня кути? +? = 0, тому sin (? + ?) = 0 і, отже, Т = 0. Так як зусилля, що обертає, в цих положеннях відсутня, то, якщо машина була б без маховика, сну мала б зупинитися. Ці крайні положення поршня називаються мертвими положеннями або мертвими точками. Через них кривошип переходить також за рахунок інерції маховика.

При мертвих положенняхпоршень не доводиться до зіткнення з кришками циліндра, між поршнем і кришкою залишається шкідливий простір. Обсяг шкідливого простору включається також обсяг парових каналів від органів паророзподілу до циліндра.

Ходом поршняS називається шлях, що проходить поршнем при переміщенні з одного крайнього становищав інше. Якщо відстань від центру корінного валу до центру пальця кривошипу – радіус кривошипу – позначити через R, то S = 2R.

Робочим об'ємом циліндра V h називається обсяг, що описується поршнем.

Зазвичай парові машини бувають подвійної (двосторонньої) дії (див. фіг. 1). Іноді застосовуються машини односторонньої дії, в яких пара чинить тиск на поршень тільки з боку кришки; інша сторона циліндра у таких машинах залишається відкритою.

Залежно від тиску, з яким пар залишає циліндр, машини поділяються на вихлопні, якщо пара виходить в атмосферу, конденсаційні, якщо пара виходить у конденсатор (холодильник, де підтримується знижений тиск), і теплофікаційні, у яких пар, що відпрацював у машині, використовується для будь-яких цілей (опалення, сушіння та ін.)

Почав свою експансію ще на початку 19 століття. І вже тоді будувалися як великі агрегати для промислових цілей, а й декоративні. Здебільшого їхніми покупцями були багаті вельможі, які хотіли потішити себе та своїх дітлахів. Після того, як парові агрегати щільно увійшли в життя соціуму, декоративні двигуни почали застосовуватися в університетах і школах як освітні зразки.

Парові двигуни сучасності

На початку 20 століття актуальність парових машин почала падати. Однією з небагатьох компаній, яка продовжила випуск декоративних міні-двигунів, стала британська фірма Mamod, яка дозволяє придбати зразок подібної техніки навіть сьогодні. Але вартість таких парових двигунів легко перевалює за дві сотні фунтів стерлінгів, що не так мало для дрібнички на пару вечорів. Тим більше для тих, хто любить збирати усілякі механізми самостійно, набагато цікавіше створити простий паровий двигунсвоїми руками.

Дуже просте. Вогонь нагріває казан з водою. Під дією температури вода перетворюється на пару, яка штовхає поршень. Поки в ємності є вода, з'єднаний з поршнем маховик обертатиметься. Це стандартна схема будови парового двигуна. Але можна зібрати модель і зовсім іншу комплектацію.

Що ж, перейдемо від теоретичної частини до цікавіших речей. Якщо вам цікаво робити щось своїми руками, і вас дивують такі екзотичні машини, то ця стаття саме для вас, в ній ми з радістю розповімо про різних способахтого, як зібрати двигун своїми руками паровий. При цьому сам процес створення механізму дарує не меншу радість, ніж його запуск.

Метод 1: міні-паровий двигун своїми руками

Тож почнемо. Зберемо найпростіший паровий двигун своїми руками. Креслення, складні інструменти та особливі знання при цьому не потрібні.

Спочатку беремо з-під будь-якого напою. Відрізаємо від неї нижню третину. Так як в результаті отримаємо гострі краї, їх необхідно загнути всередину плоскогубцями. Робимо це обережно, щоби не порізатися. Так як більшість алюмінієвих банок мають увігнуте дно, необхідно його вирівняти. Досить щільно притиснути його пальцем до якоїсь твердої поверхні.

На відстані 1,5 см від верхнього краю отриманого «склянки» необхідно зробити два отвори один навпроти одного. Бажано для цього використовувати дирокол, тому що необхідно, щоб вони вийшли в діаметрі не менше 3 мм. На дно банки кладемо декоративну свічку. Тепер беремо звичайну столову фольгу, мені її, після чого обертаємо з усіх боків нашу міні-пальник.

Міні-сопла

Далі потрібно взяти шматок мідної трубки довжиною 15-20 см. Важливо, щоб усередині вона була порожнистою, тому що це буде наш головний механізмприведення конструкції у рух. Центральну частинутрубки обертають навколо олівця 2 або 3 рази так, щоб вийшла невелика спіраль.

Тепер необхідно розмістити цей елемент так, щоб вигнуте місце розміщувалося безпосередньо над ґнотом свічки. Для цього надаємо трубці форми літери "М". При цьому виводимо ділянки, що опускаються вниз через пророблені отвори в банку. Таким чином, мідна трубка жорстко фіксується над ґнотом, а її краї є своєрідними соплами. Для того щоб конструкція могла обертатися, необхідно відігнути протилежні кінці «М-елемента» на 90 градусів різні сторони. Конструкція парового двигуна готова.

Запуск двигуна

Банку розміщують у ємності із водою. При цьому необхідно щоб краї трубки знаходилися під її поверхнею. Якщо сопла недостатньо довгі, можна додати на дно банки невеликий грузик. Але будьте обережні – не потопіть весь двигун.

Тепер необхідно заповнити трубку водою. Для цього можна опустити один край у воду, а другим втягувати повітря, як через трубочку. Опускаємо банку на воду. Підпалюємо гніт свічки. Через деякий час вода в спіралі перетвориться на пару, яка під тиском вилітатиме з протилежних кінців сопел. Банк почне обертатися в ємності досить швидко. Ось такий у нас вийшов двигун своїми руками паровий. Як бачите все просто.

Модель парового двигуна для дорослих

Тепер ускладнимо завдання. Зберемо більше серйозний двигунсвоїми руками паровий. Для початку потрібно взяти банку з-під фарби. При цьому слід переконатись, що вона абсолютно чиста. На стінці на 2-3 см від дна вирізаємо прямокутник з розмірами 15 х 5 см. Довга сторона розміщується паралельно дну банки. З металевої сітки вирізаємо шматок площею 12 х 24 см. З обох кінців довгої сторони відміряємо 6 см. Відгинаємо ці ділянки під кутом 90 градусів. У нас виходить маленький "столик-платформа" площею 12 х 12 см з ногами по 6 см. Встановлюємо отриману конструкцію на дно банки.

По периметру кришки необхідно зробити кілька отворів та розмістити їх у формі півкола уздовж однієї половини кришки. Бажано, щоб отвори мали діаметр близько 1 см. Це необхідно для того, щоб забезпечити належну вентиляцію внутрішнього простору. Паровий двигун не зможе добре працювати, якщо до джерела вогню не потраплятиме достатня кількістьповітря.

Основний елемент

З мідної трубки робимо спіраль. Необхідно взяти близько 6 метрів м'якої мідної трубки діаметром 1/4 дюйма (0,64 см). Від одного кінця відміряємо 30 см. Починаючи з цієї точки, необхідно зробити п'ять витків спіралі діаметром 12 см кожна. Решту труби згинають у 15 кілець діаметром по 8 см. Таким чином, на іншому кінці має залишитися 20 см вільної трубки.

Обидва виведення пропускають через вентиляційні отвори у кришці банки. Якщо виявиться, що довжини прямої ділянки недостатньо для цього, можна розігнути один виток спіралі. На заздалегідь встановлену платформу кладуть вугілля. При цьому спіраль має розміщуватися якраз над цим майданчиком. Вугілля акуратно розкладають між її витками. Тепер банку можна закрити. У результаті ми отримали топку, яка приведе в дію двигун. Своїми руками паровий двигун майже зроблено. Залишилося небагато.

Ємність для води

Тепер необхідно взяти ще одну банку з-під фарби, але меншого розміру. У центрі її кришки свердлять отвір діаметром 1 см. Збоку банки роблять ще два отвори — один майже біля дна, другий — вище, біля кришки.

Беруть дві кірки, в центрі яких роблять отвір з діаметрів мідної трубки. В одну кірку вставляють 25 см пластикової труби, в іншій — 10 см, так, щоб їхній край ледь виглядав із пробок. У нижній отвір малої банки вставляють кірку з довгою трубкою, у верхню - більш коротку трубку. Меншу банку розміщуємо на великій банці фарби так, щоб отвір на дні був на протилежному боці від вентиляційних проходів великої банки.

Результат

У результаті має вийти наступна конструкція. У малу банку заливається вода, яка через отвір у дні витікає у мідну трубку. Під спіраллю розпалюється вогонь, що нагріває мідну ємність. Гаряча пара піднімається трубкою вгору.

Для того, щоб механізм вийшов завершеним, необхідно приєднати до верхньому кінцімідна трубка поршень і маховик. У результаті теплова енергія горіння перетворюватиметься на механічні сили обертання колеса. Існує величезна кількість різних схемдля створення такого двигуна зовнішнього згоряння, але у всіх них завжди задіяні два елементи - вогонь та вода.

Крім такої конструкції, можна зібрати паровий але це матеріал для окремої статті.

Винахід парових машин став переломним моментом історії людства. Десь на рубежі XVII-XVIII століть почалася заміна малоефективної ручної праці, водяних коліс і на нові і унікальні механізми - парові двигуни. Саме завдяки їм стали можливі технічна та промислова революції та й весь прогрес людства.

Але хто винайшов парову машину? Кому людство цим має? І коли це було? На всі ці запитання і намагатимемося знайти відповіді.

Ще до нашої ери

Історія створення паровий машинипочинається ще перших століттях до нашої ери. Герон Олександрійський описав механізм, який починав працювати лише тоді, коли на нього вплинула пара. Пристрій був куля, на якій були закріплені сопла. З сопел по дотичній виходила пара, тим самим змушуючи двигун обертатися. Це був перший пристрій, який працював на парі.

Автор парової машини (а точніше, турбіни) - Тагі-аль-Діноме (арабський філософ, інженер і астроном). Його винахід став широко відомим в Єгипті в XVI столітті. Механізм був влаштований наступним чином: потоки пари спрямовували прямо на механізм із лопатями, і коли дим валив – лопаті оберталися. Щось подібне у 1629 році пропонував і італійський інженер Джованні Бранка. Головним недоліком всіх цих винаходів був занадто велика витратапара, що своєю чергою вимагало величезних витрат енергії і був доцільно. Розробки було припинено, оскільки тодішніх наукових та технічних знань людства було недостатньо. Крім того, потреба в таких винаходах була відсутня.

Розробки

До XVII століття створення парової машини було неможливим. Але тільки-но планка рівня розвитку людства злетіла, тут же з'явилися і перші екземпляри та винаходи. Хоча серйозно їх ніхто на той момент не сприйняв. Так, наприклад, в 1663 англійський вчений опублікував у пресі проект свого винаходу, який він встановив у замку Реглан. Його пристрій служив у тому, щоб піднімати воду на стіни веж. Однак, як і все нове та незвідане, цей проект був прийнятий із сумнівом, і спонсорів для його подальших розробок не знайшлося.

Історія створення парової машини починається з винаходу пароатмосферної машини. У 1681 році вчений із Франції винайшов пристрій, який відкачував воду з шахт. В якості рушійної сили спочатку застосовувався порох, а потім його замінили на водяну пару. Так виникла пароатмосферна машина. Величезний внесок у її вдосконалення зробили вчені з Англії Томас Ньюкомен та Томас Северен. Неоціненну допомогу також надав російський винахідник-самоук Іван Ползунов.

Невдала спроба Папена

Пароатмосферна машина, далека на той час від досконалості, залучила особливу увагуу суднобудівній галузі. Д. Папен свої останні заощадження витратив на придбання невеликого судна, де зайнявся установкою водопідйомної пароатмосферної машини власного виробництва. Механізм дії у тому, щоб, падаючи з висоти, вода починала обертати колеса.

Свої випробування винахідник проводив у 1707 році на річці Фульді. Багато народу зібралося, щоб подивитися на диво: судно, що рухається річкою, без вітрил і весел. Однак під час випробувань сталася катастрофа: вибухнув двигун та загинули кілька людей. Влада розлютилася на невдачливого винахідника і заборонила йому будь-які роботи та проекти. Судно конфіскували та зруйнували, а за кілька років помер і сам Папен.

Помилка

Пароплав Папен мав наступний принцип роботи. На дно циліндра потрібно було залити невелику кількість води. Під самим циліндром була жаровня, яка служила для нагрівання рідини. Коли вода починала кипіти, пар, що утворився, розширюючись, піднімав поршень. З простору над поршнем через спеціально обладнаний клапан виштовхувалося повітря. Після того як вода закипала і починала валити пару, необхідно було прибрати жаровню, закрити клапан, щоб видалити повітря, і за допомогою прохолодної води охолодити стінки циліндра. Завдяки таким діям пара, що знаходилася в циліндрі, конденсувалася, під поршнем утворювалося розрідження, і завдяки силі атмосферного тиску поршень знову повертався на своє початкове місце. Під час його руху вниз і відбувалася корисна робота. Проте ККД парової машини Папена був негативним. Двигун пароплава був украй неекономічний. А головне, він був надто складним та незручним в експлуатації. Тому винахід Папена не мав майбутнього вже з самого початку.

Послідовники

Проте історія створення парової машини на цьому не скінчилася. Наступним, набагато більш щасливим, ніж Папен, виявився англійський вчений Томас Ньюкомен. Він довго вивчав роботи своїх попередників, спираючись на слабкі місця. І взявши найкраще з їхніх робіт, створив у 1712 свій апарат. Нова парова машина (фото представлено) була сконструйована таким чином: використовувалися циліндр, що знаходився у вертикальному положенні, а також поршень. Це Ньюкомен взяв із робіт Папена. Однак пара утворювалася вже в іншому казані. Навколо поршня закріплювалася цільна шкіра, що значно підвищувало герметичність усередині. парового циліндра. Дана машинатакож була пароатмосферною (вода піднімалася із шахти за допомогою атмосферного тиску). Головними мінусами винаходу були його громіздкість та неекономічність: машина «з'їдала» величезну кількість вугілля. Однак користі вона приносила значно більше ніж винахід Папена. Тому її майже п'ятдесят років застосовували у підземеллях та шахтах. Її використовували для відкачування ґрунтових вод, а також для осушення кораблів. намагався перетворити свою машину так, щоб була можливість застосовувати її для руху транспорту. Однак усі його спроби не мали успіху.

Наступним ученим, який заявив себе, став Д. Хулл з Англії. У 1736 році він представив світові свій винахід: пароатмосферну машину, у якої як рушій були лопатеві колеса. Його розробка виявилася більш вдалою, ніж у Папена. Відразу було випущено кілька таких суден. В основному вони використовувалися для того, щоб буксирувати баржі, кораблі та інші кораблі. Однак надійність пароатмосферної машини не викликала довіри, і судна обладнали вітрилами як основним рушієм.

І хоча Хуллу пощастило більше, ніж Папену, його винаходи поступово втратили актуальність і від них відмовилися. Все-таки пароатмосферні машини того часу мали безліч специфічних недоліків.

Історія створення парової машини у Росії

Наступний прорив стався в Російської Імперії. У 1766 році на металургійному заводі в Барнаулі була створена перша парова машина, яка подавала в плавильні печі повітря за допомогою спеціальних повітродувних хутр. Творцем її став Іван Іванович Ползунов, котрому за заслуги перед батьківщиною навіть надали офіцерське звання. Винахідник представив своєму начальству креслення та плани «вогняної машини», здатної приводити в дію повітродувне хутро.

Однак доля зіграла з Ползуновим злий жарт: через сім років після того, як його проект було прийнято, а машина зібрана, він захворів і помер від сухот - всього за тиждень до того, як почалися випробування його двигуна. Однак його інструкцій виявилося достатньо, щоби завести двигун.

7 серпня 1766 року парова машина Ползунова була запущена і поставлена ​​під навантаження. Проте вже у листопаді того ж року вона зламалася. Причиною виявились занадто тонкі стінки котла, не призначеного для навантаження. Причому винахідник у своїх інструкціях писав, що цей казан можна використовувати лише під час випробувань. Виготовлення нового котла легко окупилося б, адже ККД парової машини Ползунова був позитивний. За 1023 години роботи з її допомогою виплавили срібла 14 з гаком пудів!

Але попри це ніхто ремонтувати механізм не став. Парова машина Ползунова припадала пилом більше 15 років на складі, поки світ промисловості не стояв на місці і розвивався. А потім взагалі була розібрана на запчастини. Мабуть, тоді Росія ще не доросла до парових двигунів.

Вимоги часу

Тим часом життя на місці не стояло. І людство постійно замислювалося над тим, щоб створити механізм, що дозволяє не залежати від примхливої ​​природи, а самим керувати долею. Від вітрила всі хотіли відмовитися якнайшвидше. Тому питання про створення парового механізмупостійно висів у повітрі. У 1753 році в Парижі було висунуто конкурс серед майстрів, учених та винахідників. Академія наук оголосила нагороду тому, хто зможе створити механізм, здатний замінити силу вітру. Але незважаючи на те, що в конкурсі брали участь такі уми, як Л. Ейлер, Д. Бернуллі, Кантон де Лакруа та інші, слушної пропозиції не виніс ніхто.

Роки минали. І промислова революція накривала дедалі більше країн. Першість і лідерство серед інших держав діставалося незмінно Англії. До кінця вісімнадцятого століття саме Великобританія стала творцем великої промисловості, завдяки чому завоювала титул всесвітньої монополістки у цій галузі. Питання про механічному двигуніз кожним днем ​​ставав дедалі актуальнішим. І такий двигун було створено.

Перша парова машина у світі

1784 став для Англії і для всього світу переломним моментом в промисловій революції. І людиною, відповідальною за це, став англійський механік Джеймс Уатт. Парова машина, яку він створив, стала найгучнішим відкриттям віку.

Протягом кількох років вивчав креслення, будову та принципи роботи пароатмосферних машин. І на підставі всього цього він зробив висновок, що для ефективності роботи двигуна необхідно зрівняти температури води в циліндрі та парі, що потрапляє в механізм. Головний мінус пароатмосферних машин полягав у постійній необхідності охолодження циліндра водою. Це було витратно та незручно.

Нова парова машина була сконструйована іншим чином. Так, циліндр полягав у спеціальну сорочку з пари. Таким чином Уатт досяг його постійного нагрітого стану. Винахідник створив спеціальну посудину, занурену в холодну воду (конденсатор). До нього трубою приєднувався циліндр. Коли пара відпрацьовувалась у циліндрі, то через трубу потрапляла в конденсатор і там перетворювалася назад у воду. Працюючи над удосконаленням своєї машини, Уат створив розрідження в конденсаторі. Таким чином, вся пара, що попадала з циліндра, конденсувалася в ньому. Завдяки цьому нововведенню дуже сильно збільшувався процес розширення пари, що у свою чергу дозволяло витягувати з тієї ж кількості пари набагато більше енергії. Це був вінець успіху.

Автор парової машини також змінив і принцип подачі повітря. Тепер пара попадала спочатку під поршень, тим самим піднімаючи його, а потім збиралася над поршнем, опускаючи. Таким чином, обидва ходи поршня в механізмі стали робітниками, що раніше навіть не було можливим. А витрата вугілля на одну кінську силубув у чотири рази меншим, ніж, відповідно, у пароатмосферних машин, чого і домагався Джеймс Уатт. Парова машина дуже швидко завоювала спочатку Великобританію, а потім і цілий світ.

"Шарлотта Дандас"

Після того, як увесь світ був уражений винаходом Джеймса Уатта, почалося широке застосування парових машин. Так було в 1802 року у Англії з'явився перший корабель пару - катер «Шарлотта Дандас». Його творцем вважається Вільям Саймінгтон. Катер застосовувався як буксирування барж каналом. Роль рушія на судні грало гребне колесо, встановлене на кормі. Катер з першого разу успішно пройшов випробування: відбуксував дві величезні баржі на 18 миль за шість годин. При цьому йому заважав зустрічний вітер. Але він упорався.

І все-таки його поставили на прикол, бо побоювалися, що через сильні хвилі, що створювалися під гребним колесом, береги каналу будуть розмиті. До речі, на випробуваннях «Шарлотти» була присутня людина, яку весь світ сьогодні вважає творцем першого пароплава.

в світі

Англійський суднобудівник із юнацьких років мріяв про судно з паровим двигуном. І ось його мрія стала здійсненною. Адже винахід парових машин став новим поштовхом у суднобудуванні. Разом із посланцем з Америки Р. Лівінгстоном, який взяв на себе матеріальний бік питання, Фултон зайнявся проектом корабля з паровою машиною. Це був складний винахід, заснований на ідеї веселого двигуна. По бортах судна тяглися в ряд плиці, що імітують безліч весел. При цьому плиці постійно заважали одна одній і ламалися. Сьогодні можна легко сказати, що той же ефект міг бути досягнутий всього при трьох-чотирьох плицах. Але з позиції науки і техніки на той час це побачити було неможливо. Тому суднобудівникам доводилося набагато складніше.

У 1803 році винахід Фултона був представлений усьому світу. Пароплав повільно і рівно йшов Сеною, вражаючи уми і уяву багатьох вчених і діячів Парижа. Проте уряд Наполеона відкинув проект, і роздратовані суднобудівники змушені були шукати щастя в Америці.

І ось у серпні 1807 року перший у світі пароплав під назвою «Клермонт», в якому була задіяна найпотужніша парова машина (фото представлено), пішов Гудзонською затокою. Багато хто тоді просто не вірив у успіх.

У свій перший рейс «Клермонт» вирушив без вантажів та без пасажирів. Ніхто не хотів вирушати у подорож на борту вогнедишного судна. Але вже по дорозі назад з'явився перший пасажир - місцевий фермер, який заплатив шість доларів за квиток. Він став першим пасажиром історії пароплавства. Фултон був так сильно зворушений, що надав сміливцю довічний безкоштовний проїзд на всіх своїх винаходах.

Принцип дії парового двигуна

Зміст

Анотація

1. Теоретична частина

1.1 Тимчасовий ланцюжок

1.2 Паровий двигун

1.2.1 Паровий котел

1.2.2 Парові турбіни

1.3 Парові машини

1.3.1 Перші пароплави

1.3.2 Зародження двоколісного транспорту

1.4 Застосування парових двигунів

1.4.1 Перевага парових машин

1.4.2 Коефіцієнт корисної дії

2. Практична частина

2.1 Побудова механізму

2.2 Способи покращення машини та її ККД

2.3 Анкетування

Висновок

Список використаної літератури

додаток

паровий двигун корисна дія

Анотація

Дана наукова робота складається з 32 листів. Вона включає теоретичну частину, практичну частину, додаток і висновок. У теоретичній частині ви дізнаєтеся про принцип роботи парових двигунів та механізмів, про їхню історію та про роль їх застосування в житті. Практичній частині докладно розказано про процес конструювання та випробування парового механізму в домашніх умовах. Ця наукова робота може служити наочним прикладомроботи та використання енергії пара.

Вступ

Світ покірних будь-яким капризам природи, де машини приводяться в дію м'язовою силою або силою водяних коліс і вітряків - таким був світ техніки до створення парового двигуна. на вогонь, здатна змістити перешкоду (наприклад, аркуш паперу), що виявилося на її шляху. Це змусило людину задуматися над тим, як можна використовувати як робоче тіло пар. В результаті цього після безлічі дослідів з'явився паровий двигун. універсальним двигуномі відіграла величезну роль у розвитку людства. Винахід парової машини послужило поштовхом для подальшого розвиткузасобів пересування. Протягом ста років вона була єдиною промисловим двигуном, універсальність якого дозволяла використовувати її на підприємствах, залізницяхі на флоте. Винахід парового двигуна є величезним ривком, що стояли на рубежі двох епох. І через століття ще гостріше відчувається вся значимість цього винаходу.

Гіпотеза:

Можливо, чи збудувати своїми руками найпростіший механізмпрацював на пару.

Мета роботи: сконструювати механізм, здатний рухатися на пару.

Завдання дослідження:

1. Вивчити наукову литературу.

2. Сконструювати та побудувати найпростіший механізм, який працював на парі.

3. Розглянути можливості збільшення ККД надалі.

Дана наукова робота буде посібником на уроках фізики для старших класів і для тих, кого цікавить ця тема.

1. Т ео р е тична частина

Паровий двигун - тепловий поршневий двигун, в якому потенційна енергія водяної пари, що надходить з парового котла, перетворюється на механічну роботузворотно-поступального руху поршня або обертального руху валу.

Пар є одним з поширених теплоносіїв у теплових системах з рідким або газоподібним робочим тілом, що нагрівається, поряд з водою і термомаслами. Водяна пара має ряд переваг, серед яких простота та гнучкість використання, низька токсичність, можливість підведення до технологічного процесузначної кількості енергії. Він може використовуватися в різноманітних системах, які мають на увазі безпосередній контакт теплоносія з різними елементами обладнання, ефективно сприяючи зниженню витрат на енергоресурси, скорочення викидів, швидкої окупності.

Закон збереження енергії- фундаментальний закон природи, встановлений емпірично і полягає в тому, що енергія ізольованої (замкнутої) фізичної системи зберігається з часом. Іншими словами, енергія не може виникнути з нічого і не може зникнути в нікуди, вона може лише переходити з однієї форми до іншої. З фундаментальної точки зору, згідно з теоремою Нетер, закон збереження енергії є наслідком однорідності часу і в цьому сенсі є універсальним, тобто властивим системам різної фізичної природи.

1.1 Часовий ланцюжок

4000 років до зв. е. - людина винайшла колесо.

3000 років до зв. е. - у Стародавньому Римі з'явилися перші дороги.

2000 до н. е. - колесо набуло більш звичного для нас вигляду. У нього з'явилися маточина, обід і спиці, що з'єднують їх.

1700 до н. е. - з'явилися перші дороги, бруковані дерев'яними брусками.

312 р. до н. е. - у Стародавньому Римі збудовані перші дороги з кам'яним покриттям. Товщина кам'яної кладки сягала одного метра.

1405 - з'явилися перші ресорні кінні екіпажі.

1510 р. - кінний екіпаж придбав кузов зі стінами та дахом. Пасажири отримали можливість захиститись від негоди під час поїздки.

1526 р. - німецький вчений і художник Альбрехт Дюрер розробив цікавий проект «безкіньного візка», що приводиться в дію м'язовою силою людей. Люди, що йдуть збоку екіпажу, обертали спеціальні ручки. Це обертання за допомогою черв'ячного механізмупередавалося колесам екіпажу. На жаль, віз не був виготовлений.

1600 - Симон Стевін побудував яхту на колесах, що рухається під дією сили вітру. Вона стала першою конструкцією безкіньного візка.

1610 р. - карети зазнали двох суттєвих удосконалень. По-перше, ненадійні та надто м'які ремені, що заколисують пасажирів під час поїздки, були замінені сталевими ресорами. По-друге, було вдосконалено кінну упряж. Тепер кінь тягнув карету не шиєю, а грудьми.

1649 - пройшли перші випробування з використання в якості рушійної сили пружини, попередньо закрученої людиною. Карету з приводом від пружини збудував Йоханн Хауч у Нюрнберзі. Однак історики ці відомості ставлять під сумнів, оскільки існує версія, що замість великої пружини всередині карети сиділа людина, яка й приводила механізм у рух.

1680 р. - великих містахз'явилися перші зразки кінного громадського транспорту.

1690 - Стефан Фарффлер з Нюрнберга створив триколісний візок, що пересувається за допомогою двох ручок, що обертаються руками. Завдяки цьому приводу конструктор віз міг переміщатися з місця на місце без допомоги ніг.

1698 - англієць Томас Севері побудував перший паровий котел.

1741 - російський механік-самоучка Леонтій Лук'янович Шамшуренков послав до Нижегородської губернської канцелярії «доношення» з описом «самобіглої коляски».

1769 - французький винахідник Кюньо побудував перший у світі паровий автомобіль.

1784 - Джеймс Уатт створив першу парову машину.

1791 р. - Іван Кулібін сконструював триколісну самохідний візок, що вміщала двох пасажирів. Привід здійснювався з допомогою педального механізму.

1794 р. - парову машину Кюньо здали в «сховище машин, інструментів, моделей, малюнків та описів з усіх видів мистецтв і ремесел» як чергову механічну дивину.

1800 - існує думка, що саме цього року в Росії був побудований перший у світі велосипед. Його автором був кріпосний Юхим Артамонов.

1808 - на вулицях Парижа з'явився перший французький велосипед. Він був виготовлений з дерева і складався з перекладини, що з'єднує два колеса. На відміну від сучасного велосипеда, у нього не було керма та педалей.

1810 - в Америці та країнах Європи почала зароджуватися каретна промисловість. У великих містах з'явилися цілі вулиці та навіть квартали, заселені майстрами-каретниками.

1816 - німецький винахідник Карл Фрідріх Драйз побудував машину, що нагадує сучасний велосипед. Щойно з'явившись на вулицях міста, вона отримала назву «бігової машини», оскільки її господар, відштовхуючись ногами, фактично біг землею.

1834 - в Парижі проводилися випробування парусного екіпажу, сконструйованого М. Хакуетом. Цей екіпаж мав щоглу заввишки 12 м-коду.

1868 - вважається, що в цей рік французом Ерне Мішо був створений прообраз сучасного мотоцикла.

1871 - французький винахідник Луї Перро розробив парову машину для велосипеда.

1874р. - у Росії побудований паровий колісний тягач. Як прототип був використаний англійський автомобіль"Евелін Портер".

1875р. - У Парижі пройшла демонстрація першої парової машини Амадея Бдллі.

1884 - американець Луїс Копленд побудував мотоцикл, на якому паровий мотор був встановлений над переднім колесом. Така конструкція могла розігнатися до 18 км/год.

1901р. - у Росії побудований легковий паромобіль московського велосипедного заводу"Дукс".

1902р. - Леон Серполле на одному зі своїх парових автомобілів встановив світовий рекорд швидкості – 120 км/год.

Роком пізніше він встановив ще один рекорд – 144 км/год.

1905 р. - американець Ф. Маріотт на паровому автомобіліперевищив швидкість 200 км

1.2 Паровий двигун

Двигун, що приводиться в дію силою пари. Пар, що отримується шляхом нагрівання води, використовують для руху. У деяких двигунах сила пари змушує рухатися поршні, розташовані в циліндрах. Таким чином створюється зворотно-поступальний рух. Під'єднаний механізм зазвичай перетворює його на обертальний рух. У паровозах (локомотивах) використовуються Поршневі двигуни. Як двигуни використовують також парові турбіни, які дають безпосередньо обертальний рух, обертаючи ряд коліс з лопатками. Парові турбіни приводять у дію генератори електростанцій та гвинти кораблів. У будь-якому паровому двигуні відбувається перетворення тепла, що виробляється при нагріванні води в паровому казані (бойлері) на енергію руху. Тепло може подаватися від спалювання палива в печі або атомного реактора. Найперший в історії паровий двигунів був рід насоса, за допомогою якого відкачували воду, що заливає шахти. Його винайшов у 1689 р. Томас Сейвері. У цій машині, зовсім проста по конструкції, пара конденсувалася, перетворюючись на невелику кількість води, і за рахунок цього створювався частковий вакуум, завдяки чому відсмоктувалась вода з шахтного ствола. У 1712 р. Томас Ньюкомен винайшов поршневий насос, що приводиться в дію пором. У 1760-ті роки. Джеймс Ватт покращив конструкцію Ньюкомена і створив набагато ефективніші парові двигуни. Невдовзі їх почали використовувати на фабриках для приведення в дію верстатів. У 1884 р. англійський інженер Чарльз Пар-соне (1854-1931) винайшов першу застосовну на практиці парову турбіну. Його конструкції були настільки ефективні, що незабаром ними стали замінювати парові двигуни зворотно-поступального впливу на електростанціях. Найбільш дивовижним досягненням у сфері парових двигунів було створення повністю замкненого, працюючого парового двигуна мікроскопічних розмірів. Японські вчені створили його, використовуючи методи, що служать виготовлення інтегральних схем. Невеликий струм, що проходить електронагрівальним елементом, перетворює краплю води на пару, яка рухає поршень. Тепер вченим належить відкрити, в яких сферах цей пристрій може знайти практичне застосування.

Паровози, пристрій яких на тлі інших технологій сьогодні є примітивним, досі використовуються в деяких країнах. Вони являють собою автономні локомотиви, які використовують як двигун парову машину. Найперші подібні локомотиви з'явилися у XIX столітті та зіграли ключову рольу становленні економіки цілого ряду країн.

Пристрій паровоза постійно вдосконалювався, у результаті з'являлися нові конструкції, які сильно відрізнялися від класичної. Так виникли моделі із шестернями, турбінами, без тендеру.

Принцип роботи та влаштування паровоза

Незважаючи на те, що існують різні модифікаціїконструкцій цього транспорту, всі вони мають три основні частини:

• парову машину;
• котел;
• екіпаж.

У паровому котлі одержують пару - саме цей агрегат є первинним джерелом енергії, а пара - основним робочим тілом. У паровій машині воно перетворюється на зворотно-поступальне механічний рухпоршня, яке у свою чергу за допомогою кривошипно-шатунного механізму трансформується у обертальне. Завдяки цьому колеса паровоза обертаються. Також пара рухає пароповітряний насос, паротурбогенератор і використовується в свистці.

Екіпаж машини складається з ходової частини і рами і є пересувною основою. Ці три елементи є основними у пристрої паровоза. Також до машини може примикати тендер - вагон, який є сховищем вугілля (палива) та води.

Паровий котел

При розгляді пристрою та принципу роботи паровоза починати потрібно з котла, оскільки це первинне джерело енергії та основний компонент цієї машини. До цього елемента висуваються певні вимоги: надійність та безпека. Тиск пари в установці може досягати 20 атмосфер і більше, що робить його практично вибухівкою. Порушення роботи якогось елемента системи може призвести до вибуху, що позбавить машину джерела енергії.

Також даний елементповинен бути зручним в управлінні, ремонті, обслуговуванні, бути гнучким, тобто вміти працювати з різним паливом (більш-менш потужним).

Топка

Основний елемент котла - топка, де спалюють тверде паливо, яке подається за допомогою углеподатчика. Якщо ж машина працює на рідкому паливі, його подають через форсунки. Високотемпературні гази, що виділяються в результаті згоряння, передають тепло через стінки вогненної коробки воді. Потім гази, віддавши більшу частину тепла на випаровування води та нагрівання насиченої пари, виводяться в атмосферу через димову трубу та іскрогасний пристрій.

Утворена в казані пара акумулюється в ковпаку-сухопарнику (у верхній частині). При досягненні тиску пари понад 105 Па, спеціальний запобіжний клапанйого скидає, випускаючи надлишок у повітря.

Гаряча пара під тиском подається через труби до циліндрів парової машини, де він тисне на поршень і шатунно-кривошипний механізм, Приводячи до обертання провідної осі. Відпрацьована пара надходить у димову трубу, створюючи розрідження в димарі, що збільшує надходження повітря в топку котла.

Схема роботи

Тобто якщо описувати принцип роботи узагальнено, все здається виключно простим. Як виглядає схема пристрою паровоза, можна побачити і на фото, розміщеному у статті.

У паровому казані спалюється паливо, яке нагріває воду. Вода перетворюється на пару, і, в міру нагрівання, тиск пари в системі збільшується. Коли воно досягає високого значення, то його подають у циліндр, де розташовуються поршні.

За рахунок тиску на поршні здійснюється обертання осі, і колеса наводяться в рух. Надлишки пари викидаються в атмосферу через спеціальний запобіжний клапан. До речі, роль останнього є виключно важливою, адже без нього котел розірвало б зсередини. Ось так виглядає влаштування котла паровоза.

Переваги

Як і інші типи мають певні переваги і недоліки. Плюси такі:

1. Простота конструкції. Через нескладний пристрій парової машини паровоза та його котла, налагодити виробництво на машинобудівних та металургійних заводах було нескладно.
2. Надійність у роботі. Згадана простота конструкції забезпечує високу надійністьроботи всієї системи. Ломатися практично нема чому, через що паровози працюють протягом 100 і більше років.
3. Потужна тяга під час торкання.
4. Можливість використання різних видівпалива.

Раніше було таке поняття як "всеїдність". Воно застосовувалося до паровозів і визначало можливість використовувати деревину, торф, вугілля, мазут як паливо цієї машини. Іноді локомотиви опалювали відходами виробництва: різною тирсою, зерновим лушпинням, тріском, бракованим зерном, що відслужили мастильними матеріалами.

Звичайно, тягові можливості машини при цьому знижувалися, проте це в будь-якому випадку дозволяло заощаджувати солідні засоби, оскільки класичне вугілля коштує дорожче.

Недоліки

Без недоліків теж не обійшлося:

1. Низький ККД. Навіть на найдосконаліших паровозах ККД складав 5-9%. Це логічно, враховуючи невисокий ККД самої парової машини (близько 20%). Неефективність згоряння палива, великі тепловтрати при передачі пари тепла від котла до циліндрів.
2. Необхідність у величезних запасах палива та води. Особливо актуальною ця проблема ставала під час експлуатації машин за умов посушливої ​​місцевості (у пустелях, наприклад), де складно роздобути воду. Звичайно, трохи згодом придумали паровози з конденсацією відпрацьованої пари, проте це не вирішувало проблему повністю, а лише спрощувало її.
3. Пожежонебезпека, що пояснюється відкритим вогнем палива. Цього недоліку немає на безпаливних паровозах, але дальність їхнього прямування обмежена.
4. Дим і кіптяву, що викидається в атмосферу. Серйозною ця проблема стає під час руху паровозів у межах населених пунктів.
5. Тяжкі умови для бригади, яка обслуговує машину.
6. Трудомісткість ремонту. Якщо в паровому котлі щось виходить з ладу, ремонт здійснюється довго і вимагає вкладення коштів.

Незважаючи на недоліки, паровози дуже цінувалися, так як їх використання суттєво підняло рівень промисловості різних країнах. Звичайно, сьогодні застосування подібних машин не актуальне, через наявність більш сучасних двигунів внутрішнього згоряннята електродвигунів. Проте саме паровози започаткували створення залізничного транспорту.

На закінчення

Тепер ви знаєте пристрій двигуна паровоза, його особливості, плюси та мінуси експлуатації. До речі, сьогодні на залізничних магістралях слаборозвинених країн (наприклад, на Кубі) ці машини досі використовуються. До 1996 вони використовувалися і в Індії. У європейських країнах, США, Росії цей вид транспорту існує лише у вигляді пам'яток та музейних експонатів.