Будова парового двигуна. Як зробити паровий двигун

08.03.2020

Різне

Натрапив на цікаву статтю в Інтернеті.

"Американський винахідник Роберт Грін розробив абсолютно нову технологію, що генерує кінетичну енергію шляхом перетворення залишкової енергії (як інших видів палива). Парові двигуни Гріна посилені поршнем і сконструйовані для широкого спектру практичних цілей."
Ось так, ні більше, ні менше: абсолютно нова технологія. Ну, природно став дивитися, намагався вникнути. Скрізь написано, однією з унікальних переваг цього двигуна є здатність генерувати енергію з залишкової енергії двигунів. Точніше кажучи, залишкова вихлопна енергія двигуна може бути перетворена для енергії, що йде до насосів та охолоджувальних систем агрегату.Ну і що з цього, як я зрозумів вихлопними газами, доводити воду до кипіння і потім перетворювати пару в рух. Наскільки це необхідно і маловитратно, адже ... хоч цей двигун, як пишуть, і спеціально розроблений з мінімальної кількості деталей, але все-таки він скільки то та й коштує і чи є взагалі сенс город городити, тим більше принципово нового в цьому винаході я не бачу . А механізмів перетворення зворотно-поступального руху на обертальний вже придумано дуже багато. На сайті автора двоцилінрова модель продається, в принципі не дорого.
всього 46 доларів.
На сайті автора є відео з використанням сонячної енергії, також є фото де хтось на човні використовує цей двигун.
Але в обох випадках це не залишкове тепло. Коротше я сумніваюся в надійності такого двигуна: «Шарові опори одночасно є порожнистими каналами, якими в циліндри подається пара.»А якою є ваша думка, шановні користувачі сайту?
Статті російською

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 швидкість обертання 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 роботи сил опору, створюваних споживачем, маховик знову-таки через свою інерцію не може 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 називають мертвими положеннями або мертвими точками. Через них кривошип переходить також за рахунок інерції маховика.

При мертвих положеннях поршень 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 положення в 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 двигун своїми 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 різні способи того, як зібрати двигун 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 механізм приведення конструкції в рух. Центральну частину трубки 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 у різні боки. 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 серйозніший двигун своїми 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 кількість повітря.

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 верхнього кінця мідної трубки поршень і маховик. У результаті теплова енергія горіння перетворюватиметься на механічні сили обертання колеса. Існує безліч різних схем для створення такого двигуна зовнішнього згоряння, але у всіх них завжди задіяні два елементи - вогонь і вода.

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

Парові машини використовувалися як приводний двигун у насосних станціях, локомотивах, на парових суднах, тягачах, парових автомобілях та інших транспортних засобах. Парові машини сприяли широкому поширенню комерційного використання машин на підприємствах і стали енергетичною основою промислової революції XVIII століття. Пізніше парові машини були витіснені двигунами внутрішнього згоряння, паровими турбінами, електромоторами та атомними реакторами, ККД яких вище.

Парова машина у дії

Винахід та розвиток

Перший відомий пристрій, що рухається пором, був описаний Героном з Олександрії в першому столітті - це так звана «лазня Герона», або «еоліпіл». Пара, що виходить по дотичній з дюз, закріплених на кулі, змушувала останній обертатися. Передбачається, що перетворення пари на механічний рух було відоме в Єгипті в період римського панування і використовувалося в нескладних пристосуваннях.

Перші промислові двигуни

Жоден з описаних пристроїв мало був застосовано як рішення корисних завдань. Першим застосованим на виробництві паровим двигуном була «пожежна установка», сконструйована англійським військовим інженером Томасом Сейвері у 1698 році. На свій пристрій Сейвері в 1698 отримав патент. Це був поршневий паровий насос, і, очевидно, не надто ефективний, тому що тепло пари щоразу губилося під час охолодження контейнера, і досить небезпечне в експлуатації, оскільки внаслідок високого тиску пара ємності та трубопроводи двигуна іноді вибухали. Так як цей пристрій можна було використовувати як для обертання коліс водяного млина, так і для відкачування води з шахт, винахідник назвав його «другом рудокопа».

Потім англійський коваль Томас Ньюкомен в 1712 продемонстрував свій «атмосферний двигун», який був першим паровим двигуном, на який міг бути комерційний попит. Це був удосконалений паровий двигун Сейвері, у якому Ньюкомен суттєво знизив робочий тиск пари. Ньюкомен, можливо, базувався на описі експериментів Папена, що у Лондонському королівському суспільстві , яких міг мати доступ через члена товариства Роберта Гука , працював з Папеном.

Схема роботи парової машини Ньюкомена.
– Пара показана ліловим кольором, вода – синім.
– Відкриті клапани показані зеленим кольором, закриті – червоним

Першим застосуванням двигуна Ньюкомена була відкачування води із глибокої шахти. У шахтному насосі коромисло було пов'язане з тягою, яка спускалася до шахти камери насоса. Поворотно-поступальні рухи тяги передавалися поршню насоса, який подавав воду нагору. Клапани ранніх двигунів Ньюкомена відкривалися та закривалися вручну. Першим удосконаленням була автоматизація дії клапанів, які рухалися самою машиною. Легенда розповідає, що це удосконалення було зроблено у 1713 році хлопчиком Хемфрі Поттером, який мав відкривати та закривати клапани; коли це йому набридало, він зв'язував рукоятки клапанів мотузками і йшов грати з дітьми. До 1715 року вже було створено важільну систему регулювання, яка наводиться від механізму самого двигуна.

Перша в Росії двоциліндрова вакуумна парова машина була спроектована механіком І. І. Повзуновим в 1763 і побудована в 1764 для приведення в дію повітродувного хутра на Барнаульських Коливано-Воскресенських заводах.

Хемфрі Гейнсборо у 1760-их роках побудував модель парової машини з конденсатором. У 1769 році шотландський механік Джеймс Уатт (можливо, використавши ідеї Гейнсборо) запатентував перші суттєві вдосконалення до вакуумного двигуна Ньюкомена, які зробили його значно ефективнішим за витратою палива. Вклад Уатта полягав у відділенні фази конденсації вакуумного двигуна в окремій камері, тоді як поршень та циліндр мали температуру пари. Уатт додав до двигуна Ньюкомена ще кілька важливих деталей: помістив усередину циліндра поршень для виштовхування пари і перетворив поворотно-поступальний рух поршня в обертальний рух приводного колеса.

На основі цих патентів Уатт побудував паровий двигун у Бірмінгемі. До 1782 паровий двигун Уатта виявився більш ніж в 3 рази продуктивніше машини Ньюкомена. Підвищення ефективності двигуна Уатта призвело до використання енергії пари у промисловості. Крім того, на відміну від двигуна Ньюкомена, двигун Уатта дозволив передати обертальний рух, тоді як у ранніх моделях парових машин поршень був пов'язаний з коромислом, а не безпосередньо з шатуном. Цей двигун мав основні риси сучасних парових машин.

Подальшим підвищенням ефективності було застосування пари високого тиску (американець Олівер Еванс та англієць Річард Тревітік). Р.Тревітик успішно збудував промислові однотактові двигуни високого тиску, відомі як «корнуельські двигуни». Вони працювали з тиском 50 фунтів на квадратний дюйм або 345 кПа (3,405 атмосфери). Однак із збільшенням тиску виникала і велика небезпека вибухів у машинах та котлах, що призводило спочатку до численних аварій. З цієї точки зору найбільш важливим елементом машини високого тиску був запобіжний клапан, який випускав надлишковий тиск. Надійна та безпечна експлуатація розпочалася лише з накопиченням досвіду та стандартизацією процедур спорудження, експлуатації та обслуговування обладнання.

Французький винахідник Ніколас-Йозеф Куньо в 1769 продемонстрував перший діючий самохідний паровий транспортний засіб: "fardier à vapeur" (паровий віз). Можливо, його винахід можна вважати першим автомобілем. Самохідний паровий трактор виявився дуже корисним як мобільне джерело механічної енергії, що наводило в рух інші сільськогосподарські машини: молотарки, преси та ін. (штат Нью-Йорк). Він піднімав на борт 30 пасажирів і йшов зі швидкістю 7-8 миль на годину. Пароплав Дж. Фітча не був комерційно успішним, оскільки з його маршрутом конкурувала хороша сухопутна дорога. В 1802 шотландський інженер Вільям Сімінгтон побудував конкурентоспроможний пароплав, а в 1807 американський інженер Роберт Фултон використовував паровий двигун Уатта для приводу першого комерційно успішного пароплава. 21 лютого 1804 року на металургійному заводі Пенідаррен у Мертір-Тідвілі в Південному Уельсі демонструвався перший самохідний залізничний паровий локомотив, побудований Річардом Тревітіком.

Парові машини зі зворотно-поступальним рухом

Двигуни зі зворотно-поступальним рухом використовують енергію пари для переміщення поршня в герметичній камері або циліндрі. Поворотно-поступальна дія поршня може бути механічно перетворена в лінійний рух поршневих насосів або в обертальний рух для приводу частин верстатів або коліс транспортних засобів, що обертаються.

Вакуумні машини

Ранні парові машини називалися спочатку вогневими машинами, а також атмосферними або конденсуючими двигунами Уатта. Вони працювали на вакуумному принципі і тому відомі також як вакуумні двигуни. Такі машини працювали для приводу поршневих насосів, принаймні немає жодних свідчень про те, що вони використовувалися в інших цілях. При роботі парової машини вакуумного типу на початку такту пара низького тиску впускається в робочу камеру або циліндр. Впускний клапан після цього закривається і пара охолоджується, конденсуючись. У двигуні Ньюкомена вода, що охолоджує, розпорошується безпосередньо в циліндр, і конденсат збігає в збірку конденсату. Таким чином створюється вакуум у циліндрі. Атмосферний тиск у верхній частині циліндра тисне на поршень і викликає його переміщення вниз, тобто робочий хід.

Постійне охолодження та повторне нагрівання робочого циліндра машини було дуже марнотратним і неефективним, проте ці парові машини дозволяли відкачувати воду з більшої глибини, ніж це було можливо до появи. У році з'явилася версія парової машини, створена Уаттом у співпраці з Меттью Боултоном, основним нововведенням якої стало винесення процесу конденсації у спеціальну окрему камеру (конденсатор). Ця камера поміщалася у ванну з холодною водою, і з'єднувалася з циліндром трубкою, що перекривається клапаном. До конденсаційної камери була приєднана спеціальна невелика вакуумна помпа (прообраз конденсатного насоса), що рухається коромислом і служить для видалення конденсату з конденсатора. Гаряча вода, що утворилася, подавалася спеціальним насосом (прообразом живильного насоса) назад в котел. Ще одним радикальним нововведенням стало закриття верхнього кінця робочого циліндра, у верхній частині якого тепер була пара низького тиску. Ця ж пара була у подвійній сорочці циліндра, підтримуючи його постійну температуру. Під час руху поршня вгору ця пара спеціальними трубками передавалася в нижню частину циліндра, для того, щоб піддатися конденсації під час наступного такту. Машина по суті перестала бути «атмосферною», і її потужність тепер залежала від різниці тисків між парою низького тиску і тим вакуумом, який вдавалося отримати. У паровій машині Ньюкомена мастило поршня здійснювалося невеликою кількістю налитої на нього зверху води, в машині Уатта це стало неможливим, оскільки у верхній частині циліндра тепер була пара, довелося перейти на мастило сумішшю тавота і нафти. Таке ж мастило використовувалося в сальнику штока циліндра.

Вакуумні парові машини, незважаючи на очевидні обмеження їхньої ефективності, були відносно безпечні, використовували пару низького тиску, що цілком відповідало загальному невисокому рівню котелень XVIII століття. Потужність машини обмежувалася низьким тиском пари, розмірами циліндра, швидкістю згоряння палива та випаровування води в котлі, а також розмірами конденсатора. Максимальний теоретичний ККД був обмежений відносно малою різницею температур з обох боків поршня; це робило вакуумні машини, призначені для промислового використання, надто великими та дорогими.

Стиснення

Випускне вікно циліндра парової машини перекривається дещо раніше, ніж поршень доходить до свого крайнього положення, що залишає в циліндрі кілька відпрацьованих пар. Це означає, що в циклі роботи присутня фаза стиснення, що формує так звану «парову подушку», що уповільнює рух поршня у його крайніх положеннях. Крім того, це усуває різкий перепад тиску на самому початку фази впуску, коли в циліндр надходить свіжа пара.

Випередження

Описаний ефект «парової подушки» посилюється також тим, що впуск свіжої пари в циліндр починається трохи раніше, ніж поршень досягне крайнього становища, тобто є деяке випередження впуску. Це випередження необхідно для того, щоб перед тим, як поршень почне свій робочий хід під дією свіжої пари, пара встигла б заповнити той мертвий простір, яке виникло в результаті попередньої фази, тобто канали впуску-випуску і обсяг циліндра, що не використовується для руху поршня.

Просте розширення

Просте розширення передбачає, що пара працює тільки при розширенні його в циліндрі, а відпрацьована пара випускається безпосередньо в атмосферу або надходить у спеціальний конденсатор. Залишкове тепло пари може бути використане, наприклад, для обігріву приміщення або транспортного засобу, а також для попереднього підігріву води, що надходить в котел.

Компаунд

У процесі розширення в циліндрі машини високого тиску температура пари падає пропорційно до його розширення. Оскільки теплового обміну при цьому не відбувається (адіабатичний процес), виходить, що пара надходить у циліндр із більшою температурою, ніж виходить із нього. Подібні перепади температури у циліндрі призводять до зниження ефективності процесу.

Один із методів боротьби з цим перепадом температур був запропонований у 1804 році англійським інженером Артуром Вульфом, який запатентував Компаундна парова машина високого тиску Вульфа. У цій машині високотемпературна пара з парового котла надходила в циліндр високого тиску, а після цього відпрацьована в ньому пара з нижчою температурою і тиском надходила в циліндр (або циліндри) низького тиску. Це зменшувало перепад температури в кожному циліндрі, що в цілому знижувало температурні втрати та покращувало загальний коефіцієнт корисної дії парової машини. Пара низького тиску мала більший обсяг, і тому вимагала більшого обсягу циліндра. Тому в компаудних машинах циліндри низького тиску мали більший діаметр (а іноді й більшу довжину), ніж циліндри високого тиску.

Така схема також відома під назвою подвійне розширення, оскільки розширення пари відбувається в дві стадії. Іноді один циліндр високого тиску був пов'язаний із двома циліндрами низького тиску, що давало три приблизно однакових за розміром циліндра. Таку схему було легко збалансувати.

Двоциліндрові компаундні машини можуть бути класифіковані як:

Перехресний компаунд- Циліндри розташовані поруч, їх паропровідні канали перехрещені.
Тандемний компаунд- Циліндри розташовуються послідовно і використовують один шток.
Кутовий компаунд- Циліндри розташовані під кутом один до одного, зазвичай 90 градусів, і працюють на один кривошип.

Після 1880-х років компаудні парові машини набули широкого поширення на виробництві та транспорті і стали практично єдиним типом, що використовується на пароплавах. Використання їх на паровозах не набуло такого широкого поширення, оскільки вони виявилися надто складними, частково через те, що складними були умови роботи парових машин на залізничному транспорті. Незважаючи на те, що компаундні паровози так і не стали масовим явищем (особливо у Великій Британії, де вони були дуже мало поширені і взагалі не використовувалися після 1930-х років), вони набули певної популярності в кількох країнах.

Множинне розширення

Спрощена схема парової машини із потрійним розширенням.
Пара високого тиску (червоний колір) від котла проходить через машину, виходячи в конденсатор при низькому тиску (блакитний колір).

Логічним розвитком схеми компаунда стало додавання до неї додаткових стадій розширення, що збільшувало ефективність роботи. Результатом стала схема множинного розширення, відома як машини потрійного чи навіть четверного розширення. Такі парові машини використовували серії циліндрів подвійного впливу, обсяг яких збільшувався з кожною стадією. Іноді замість збільшення об'єму циліндрів низького тиску використовувалося збільшення їхньої кількості, так само, як і на деяких компаундних машинах.

Зображення праворуч показує роботу парової машини із потрійним розширенням. Пара проходить через машину зліва направо. Блок клапанів кожного циліндра розташований ліворуч від відповідного циліндра.

Поява цього типу парових машин стала особливо актуальною для флоту, оскільки вимоги до розміру та ваги для суднових машин були не дуже жорсткими, а головне, така схема дозволяла легко використовувати конденсатор, що повертає відпрацьовану пару у вигляді прісної води назад у котел (використовувати солону морську воду). для живлення котлів було неможливо). Наземні парові машини зазвичай не мали проблем із живленням водою і тому могли викидати відпрацьовану пару в атмосферу. Тому така схема для них була менш актуальною, особливо з урахуванням її складності, розміру та ваги. Домінування парових машин множинного розширення закінчилося лише з появою та широким поширенням парових турбін. Однак у сучасних парових турбінах використовується той самий принцип поділу потоку на циліндри високого, середнього та низького тиску.

Прямоточні парові машини

Прямоточні парові машини виникли в результаті спроби подолати один недолік, властивий паровим машинам із традиційним паророзподілом. Справа в тому, що пара в звичайній паровій машині постійно змінює напрямок свого руху, оскільки і для впуску і для випуску пари застосовується те саме вікно з кожного боку циліндра. Коли відпрацьована пара залишає циліндр, він охолоджує його стінки та паророзподільні канали. Свіжа пара, відповідно, витрачає певну частину енергії з їхньої нагрівання, що зумовлює падіння ефективності. Прямоточні парові машини мають додаткове вікно, яке відкривається поршнем наприкінці кожної фази, і через яке пар залишає циліндр. Це підвищує ефективність машини, оскільки пара рухається в одному напрямку, і температурний градієнт стінок циліндра залишається більш менш постійним. Прямоточні машини одинарного розширення показують приблизно таку ж ефективність, як компаудні машини зі звичайним паророзподілом. Крім того, вони можуть працювати на більш високих оборотах, і тому до появи парових турбін часто застосовувалися для електрогенераторів, що вимагають високої швидкості обертання.

Прямотувальні парові машини бувають як одинарної, так і подвійної дії.

Парові турбіни

Парова турбіна являє собою серію дисків, що обертаються, закріплених на єдиній осі, званих ротором турбіни, і серію чергуються з ними нерухомих дисків, закріплених на підставі, званих статором. Диски ротора мають лопатки на зовнішній стороні, пара подається на ці лопатки та крутить диски. Диски статора мають аналогічні лопатки, встановлені під протилежним кутом, які служать для перенаправлення потоку пари на наступні за ними диски ротора. Кожен диск ротора і відповідний диск статора називаються ступенем турбіни. Кількість і розмір щаблів кожної турбіни підбираються таким чином, щоб максимально використовувати корисну енергію пари тієї швидкості та тиску, який подається в неї. Відпрацьована пара, що виходить з турбіни, надходить у конденсатор. Турбіни обертаються з дуже високою швидкістю, і тому при передачі обертання на інше обладнання зазвичай використовуються спеціальні трансмісії, що знижують . Крім того, турбіни не можуть змінювати напрямок свого обертання, і часто вимагають додаткових механізмів реверсу (іноді використовуються додаткові ступені зворотного обертання).

Турбіни перетворюють енергію пари безпосередньо на обертання і не вимагають додаткових механізмів перетворення зворотно-поступального руху на обертання. Крім того, турбіни компактніші за поворотно-поступальні машини і мають постійне зусилля на вихідному валу. Оскільки турбіни мають простішу конструкцію, вони, як правило, вимагають меншого обслуговування.

Інші типи парових двигунів

Застосування

Парові машини можуть бути класифіковані за їх застосуванням таким чином:

Стаціонарні машини

Паровий молот

Парова машина на старий цукровий завод, Куба

Стаціонарні парові машини можуть бути поділені на два типи за режимом використання:

Машини зі змінним режимом, до яких належать машини металопрокатних станів, парові лебідки та подібні пристрої, які повинні часто зупинятися та змінювати напрямок обертання.
Силові машини, які рідко зупиняються і не повинні змінювати напрямок обертання. Вони включають енергетичні двигуни на електростанціях, а також промислові двигуни, що використовувалися на заводах, фабриках і кабельних залізницях до поширення електричної тяги. Двигуни малої потужності використовуються на суднових моделях та у спеціальних пристроях.

Парова лебедка є стаціонарним двигуном, але встановлена на опорній рамі, щоб її можна було переміщати. Вона може бути закріплена тросом за якір та пересунута власною тягою на нове місце.

Транспортні машини

Парові машини використовувалися для приводу різних типів транспортних засобів, серед них:

Сухопутні транспортні засоби:
- Паровий автомобіль
- Паровий трактор
- Паровий екскаватор, і навіть
Паровий літак.

У Росії її перший діючий паровоз побудували Є. А. і М. Є. Черепановими на Нижньо-Тагильском заводі 1834 року перевезення руди. Він розвивав швидкість 13 верст на годину та перевозив понад 200 пудів (3,2 тонни) вантажу. Довжина першої залізниці становила 850 м-коду.

Переваги парових машин

Основною перевагою парових машин є те, що вони можуть використовувати практично будь-які джерела тепла для перетворення його на механічну роботу. Це відрізняє їхню відмінність від двигунів внутрішнього згоряння, кожен тип яких вимагає використання певного виду палива. Найбільш помітна ця перевага при використанні ядерної енергії, оскільки ядерний реактор не в змозі генерувати механічну енергію, а виробляє тільки тепло, яке використовується для вироблення пари, що приводить в рух парові машини (зазвичай парові турбіни). Крім того, є інші джерела тепла, які не можуть бути використані в двигунах внутрішнього згоряння, наприклад, сонячна енергія. Цікавим напрямком є використання енергії різниці температур Світового океану на різних глибинах.

Подібними властивостями також володіють інші типи двигунів зовнішнього згоряння, такі як двигун Стірлінга, які можуть забезпечити дуже високу ефективність, але мають значно більшу вагу і розміри, ніж сучасні типи парових двигунів.

Парові локомотиви непогано показують себе на великих висотах, оскільки ефективність їхньої роботи не падає через низький атмосферний тиск. Паровози досі використовуються в гірських районах Латинської Америки, незважаючи на те, що в рівнинній місцевості вони давно були замінені на сучасніші типи локомотивів.

У Швейцарії (Brienz Rothhorn) та в Австрії (Schafberg Bahn) нові паровози, які використовують суху пару, довели свою ефективність. Цей тип паровоза був розроблений на основі моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) -х років, з безліччю сучасних удосконалень, таких як використання роликових підшипників, сучасна теплоізоляція, спалювання як паливо легких нафтових фракцій, покращені паропроводи, і т.д. . В результаті такі паровози мають на 60% менше споживання палива та значно менші вимоги до обслуговування. Економічні якості таких паровозів можна порівняти з сучасними дизельними та електричними локомотивами.

Крім того, парові локомотиви значно легші, ніж дизельні та електричні, що особливо актуально для гірських залізниць. Особливістю парових двигунів є те, що вони не потребують трансмісії, передаючи зусилля безпосередньо на колеса.

Коефіцієнт корисної дії

Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплового двигуна може бути визначений як відношення корисної механічної роботи до кількості теплоти, що міститься в паливі. Решта енергії виділяється у довкілля як тепла. ККД теплової машини дорівнює

Огляд музейної експозиції я пропущу та перейду одразу до машинного залу. Кому цікаво, той може знайти повну версію посту в мжжж. Машинний зал знаходиться у цьому будинку:

29. Зайшовши всередину, у мене сперло подих від захоплення - всередині зали була найкрасивіша парова машина з усіх, що мені доводилося бачити. То справжній храм стимпанка - сакральне місце всім адептів естетики парової ери. Я був вражений побаченим і зрозумів, що недаремно заїхав у це містечко і відвідав цей музей.

30. Крім величезної парової машини, що є головним музейним об'єктом, тут також були представлені різні зразки парових машин, а на численних інфостендах розповідалася історія парової техніки. На цьому знімку ви бачите повністю функціонуючу парову машину потужністю 12 к.с.

31. Рука для масштабування. Машина була створена у 1920 році.

32. Поруч із головним музейним екземпляром експонується компресор 1940 року випуску.

33. Цей компресор у минулому використовувався у залізничних майстернях вокзалу Вердау.

34. Ну а тепер розглянемо детальніше центральний експонат музейної експозиції - парову 600-сильну машину 1899 випуску, якій і буде присвячена друга половина цієї посади.

35. Парова машина є символом індустріальної революції, що сталася в Європі наприкінці 18-го - початку 19-го століття. Хоча перші зразки парових машин створювалися різними винахідниками ще на початку 18-го століття, але всі вони були непридатні для промислового використання так як мали ряд недоліків. Масове застосування парових машин в індустрії стало можливим лише після того, як шотландський винахідник Джеймс Уатт удосконалив механізм парової машини, зробивши її легкою в управлінні, безпечною і в п'ять разів потужнішою до цього зразків.

36. Джеймс Уатт запатентував свій винахід у 1775 році і вже у 1880-х роках його парові машини починають проникати на підприємства, ставши каталізатором індустріальної революції. Сталося це насамперед тому, що Джеймсу Уатту вдалося створити механізм перетворення поступального руху парової машини на обертальне. Всі існуючі до цього парові машини могли виробляти лише поступальні рухи і використовуватися тільки як насоси. А винахід Уатта вже міг обертати колесо млина чи привід фабричних верстатів.

37. У 1800 році фірма Уатта і його компаньйона Болтона виробила 496 парових машин з яких лише 164 використовувалися як насоси. А вже 1810 року в Англії налічувалося 5 тисяч парових машин, і ця кількість у найближчі 15 років потроїлася. У 1790 році між Філадельфією і Берлінгтоном в США став курсувати перший паровий човен, що перевозив до тридцяти пасажирів, а в 1804 Річард Тревінтік побудував перший діючий паровий локомотив. Почалася ера парових машин, яка тривала все дев'ятнадцяте століття, а на залізниці і першу половину двадцятого.

38. То була коротка історична довідка, тепер повернемося до головного об'єкту музейної експозиції. Парова машина, яку ви бачите на знімках, була виготовлена фірмою Zwikauer Maschinenfabrik AG у 1899 році та встановлена в машинному залі прядильної фабрики "C.F.Schmelzer und Sohn". Парова машина призначалася для приводу прядильних верстатів і в цій ролі використовувалася до 1941 року.

39. Шикарний шильдик. У той час індустріальна техніка робилася з великою увагою до естетичного вигляду та стилю, була важлива не лише функціональність, а й краса, що відображено у кожній деталі цієї машини. На початку ХХ століття негарну техніку просто ніхто не купив би.

40. Прядильна фабрика "C.F.Schmelzer und Sohn" була заснована у 1820 році на місці теперішнього музею. Вже в 1841 році на фабриці була встановлена перша парова машина потужністю 8 к.с. для приводу прядильних машин, яка в 1899 році була замінена новою більш потужною та сучасною.

41. Фабрика проіснувала до 1941 року, потім провадження було зупинено у зв'язку з початком війни. Всі сорок два роки машина використовувалася за призначенням, як привод прядильних верстатів, а після закінчення війни в 1945 - 1951 роки служила як резервне джерело електроенергії, після чого була остаточно списана з балансу підприємства.

42. Як і багатьох її побратимів, машину чекав би розпив, якби не один фактор. Дана машина була першою паровою машиною Німеччини, яка отримувала пару трубами від розташованої на відстані котельні. Крім того вона мала систему регулювання осей від фірми PROELL. Завдяки цим факторам машина отримала у 1959 році статус історичної пам'ятки та стала музейною. На жаль, усі фабричні корпуси та корпус котельні були знесені у 1992 році. Ця машинна зала - єдине, що залишилося від колишньої прядильної фабрики.

43. Чарівна естетика парової ери!

44. Шильдик на корпусі системи регулювання осей фірми PROELL. Система регулювала відсічення - кількість пари, яка впускається в циліндр. Більше відсікання - більше економічність, але менша потужність.

45. Прилади.

46. За своєю конструкцією дана машина є парової машиною багаторазового розширення (або як їх ще називають компаунд-машиною). У машинах цього типу пар послідовно розширюється в декількох циліндрах зростаючого об'єму, переходячи з циліндра в циліндр, що дозволяє значно підвищити коефіцієнт корисної дії двигуна. Ця машина має три циліндри: в центрі кадру знаходиться циліндр високого тиску - саме в нього подавався свіжа пара з котельні, потім після циклу розширення, пара перепускалася в циліндр середнього тиску, що розташований праворуч від циліндра високого тиску.

47. Здійснивши роботу, пара з циліндра середнього тиску переміщалася в циліндр низького тиску, який ви бачите на цьому знімку, після чого, здійснивши останнє розширення, випускався назовні окремою трубою. Таким чином досягалося найповніше використання енергії пари.

48. Стаціонарна потужність цієї установки становила 400-450 л.с., максимальна 600 л.с.

49. Гайковий койч для ремонту та обслуговування машини вражає розмірами. Під ним канати, за допомогою яких обертальний рух передавався з маховика машини на трансмісію, з'єднану з прядильними верстатами.

50. Бездоганна естетика Belle Époque у кожному гвинтику.

51. На цьому фото можна детально розглянути пристрій машини. Пар, що розширюється в циліндрі, передавав енергію на поршень, який у свою чергу здійснював поступальний рух, передаючи його на кривошипно-повзунний механізм, в якому воно трансформувалося в обертальне і передавалося на маховик і далі на трансмісію.

52. У минулому з паровою машиною також був з'єднаний генератор електричного струму, який теж зберігся у чудовому оригінальному стані.

53. У минулому генератор знаходився на цьому місці.

54. Механізм передачі крутного моменту з маховика на генератор.

55. Зараз на місці генератора встановлений електродвигун, за допомогою якого кілька днів на рік парову машину надають руху на потіху публіці. У музеї щороку проводяться "Дні пари" - захід, що поєднує любителів та модельістів парових машин. Цими днями парова машина теж наводиться в рух.

56. Оригінальний генератор постійного струму тепер стоїть осторонь. У минулому він використовувався для вироблення електрики для освітлення фабрики.

57. Вироблено фірмою "Elektrotechnische & Maschinenfabrik Ernst Walther" у Вердау у 1899 році, якщо вірити інфотабличці, але на оригінальному шильдику стоїть рік 1901 року.

58. Так як я був єдиним відвідувачем музею того дня, ніхто не заважав мені насолоджуватися естетикою цього місця наодинці з машиною. До того ж, відсутність людей сприяла отриманню хороших фотографій.

59. Тепер кілька слів про трансмісію. Як видно на цьому знімку, поверхня маховика має 12 канавки для канатів, за допомогою яких обертальний рух маховика передавався далі на елементи трансмісії.

60. Трансмісія, що складається з коліс різного діаметра, з'єднаних валами, розподіляла обертальний рух на кілька поверхів фабричного корпусу, на яких розташовувалися прядильні верстати, що працюють від енергії, переданої за допомогою трансмісії від парової машини.

61. Маховик з канавками для канатів крупним планом.

62. Тут добре видно елементи трансмісії, за допомогою яких момент, що крутить, передавався на вал, що проходить під землею і передає обертальний рух в прилеглий до машинного залу корпус фабрики, в якому розташовувалися верстати.

63. На жаль, фабрична будівля не збереглася і за дверима, що вела до сусіднього корпусу, тепер лише порожнеча.

64. Окремо варто відзначити щит управління електрообладнанням, який сам по собі є витвором мистецтва.

65. Мармурова дошка в красивій дерев'яній рамці з рядами важелів і запобіжників, розкішний ліхтар, стильні прилади - Belle Époque у всій красі.

66. Два величезні запобіжники, розташовані між ліхтарем та приладами, вражають.

67. Запобіжники, важелі, регулятори – все обладнання естетично привабливе. Видно, що при створенні цього щита зовнішнім виглядом дбали далеко не в останню чергу.

68. Під кожним важелем і запобіжником розташований "гудзик" з написом, що цей важіль включає/вимикає.

69. Пишність техніки періоду "прекрасної епохи".

70. На завершення розповіді повернемося до машини і насолодимося чудовою гармонією та естетикою її деталей.

71. Вентилі керування окремими вузлами машини.

72. Краплинні масляни, призначені для змащення вузлів, що рухаються, і агрегатів машини.

73. Цей прилад називається прес-маслянка. Від рухомої частини машини наводяться в рух черв'яки, що переміщають поршень масляни, а він нагнітає масло до поверхонь, що труться. Після того, як поршень сягне мертвої точки, його обертанням ручки піднімають назад і цикл повторюється.