Так сложилось, что даже люди с техническим образованием мало что знают об этом устройстве. Сегодня мы и восполним этот пробел, вспомним, как устроен паровой двигатель, его принцип действия. Его преимущества, недостатки и применении в современных условиях. И немного о истории изобретения.
Паровая машина кардинально изменила картину мира, произвела революцию в промышленности, на транспорте, дала импульс для новых открытий. Она служила универсальным двигателем на протяжении XIX века, и даже с появлением механизмов, требующих высоких скоростей, не канула в лету. Вместо тихоходной паровой машины ученые разработали быстроходную турбину с одним из самых высоких к.п.д.
История изобретения парового двигателя
Упоминание о первых паровых машинах датировано первым столетием нашей эры. Устройство, описано Героном Александрийским ‒ пар выходил из сопл, закреплённых на шаре, и приводил в движение двигатель.
Правда, настоящая паровая турбина появилась в Египте в 16 веке. Ее изобрел араб Таги-аль-Диноме.
Подобную машину построил 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка. То есть, как только в обществе наступило экономическое благополучие и возникла необходимость в данном механизме, его тот час же изобрели.
В конце 17 века были созданы ещё две модели: в Испании двигатель сконструировал Аянс де Бомонт, а в Англии Эдвард Сомерсет в 1663 году установил паровую установку для закачки воды в Большую башню замка Реглан. Но все проекты быстро сворачивались и забывались. Тогда, как впрочем, и сейчас все новое не воспринималось большинством, и деньги на разработку никто давать не решался.
Паровой котёл создал француз Дени Папен. Он же изобрёл и предохранительный клапан для стравливания избыточного давления. Дело в том, что высокое давление, создаваемое паром, приводило к частым взрывам.
Кстати, в то же время появилось и расхожее выражение: «выпустить пар», которое означало ‒ успокоить нервы, пошумев на окружающих, без сноса собственного котелка и без жертв среди мирного населения.
Но на этом история паровых двигателей не прервалась. Англичанин Томас Ньюкомен в 1712 году сделал шахтный насос для подачи воды на верх. Двигатель Ньюкомена стал пользоваться спросом, с его массового выпуска началась английская промышленная революция.
В России первую паровую машину в 1763 году спроектировал И.И.Ползунов. С ее помощью приводились в действие воздуходувные меха на заводах.
А француз Николас-Йозеф Куньо шесть лет спустя сконструировал первую паровую телегу. Она приводила в движение сельскохозяйственные механизмы.
А в 1788 году Джон Фитч построил пароход, который вмещал 30 человек, и шел со скоростью до 12 километров в час.
В 1804 году на металлургическом заводе в Южном Уэльсе был испытан первый железнодорожный паровой поезд, его построил Ричард Тревитик.
Как устроен паровой двигатель. Принцип действия
Для работы паровой машины потребуется паровой котёл. Поступающий из него пар, расширяется и воздействует на поршень или же на лопатки паротурбины, затем их движение передаётся на другие механические части устройства.
Как устроен паровой двигатель показано на иллюстрации
Движение поршня через шток, ползун, шатун и кривошип передаётся на главный вал, который несет маховик, необходимый для снижения неравномерности вращения.
Эксцентрик, находящийся на главном валу, через эксцентриковую тягу воздействует на золотник, который управляет впуском пара в цилиндре. Пар из цилиндра выбрасывается в атмосферу или направляется в конденсатор.
Чтобы поддерживать постоянное число оборотов вала, при изменении нагрузки, на паровых машинах устанавливают центробежный регулятор, он автоматически изменяет сечение прохода пара, направляемого в паровую машину (при дроссельном регулировании) или момент отсечки наполнения (при количественном регулировании).
Поршень создает в цилиндре парового двигателя одну (две) полости переменного объёма, в них и происходят процессы сжатия и расширения.
Преимущества и недостатки
Основное преимущество паровой машины, как двигателя внешнего сгорания, отделение котла от самой машины. Это дает возможность использовать что угодно в качестве топлива хоть хворост, хоть урановое топливо, что выгодно отличает ее от двигателя внутреннего сгорания ‒ там для каждого типа требуется определённый вид горючего.
Заметнее всего это преимущество в случае с ядерным реактором, который не может производить механическую энергию, а вырабатывает лишь тепло, которое используют для получения пара, вращающего паровые турбины.
В двигателях внешнего сгорания можно использовать и другие источники тепла, например, энергию солнца или энергию разности температур океана на разной глубине.
Интересный факт, паровой локомотив хорошо работает на больших высотах, при чем эффективность двигателя не падает, а, наоборот, растет благодаря низкому атмосферному давлению.
Паровозы и сегодня используют в горной местности Латинской Америки и Китая, при том, что в равнинных районах они давно заменены на более современные типы локомотивов.
Даже в Швейцарии и в Австрии в ходу усовершенствованные тепловозы, работающие на сухом паре. Их разработали на основе модели SLM производства 1930 года. В конструкцию внесли ряд изменений: использовали роликовые подшипники, современную теплоизоляцию, новые виды топлива, специальные паропроводы и ряд других новшеств.
Благодаря этому потребление топлива уменьшилось на 60 процентов, а вес стал ниже, чем у дизельных и электрических аналогов, что актуально для железных дорог, проходящих в горной местности.
Среди других положительных качеств парового двигателя:
- высокая надёжность;
- возможность эксплуатации при значительных колебаниях нагрузки;
- допустимость продолжительных перегрузок;
- долговечность;
- низкие расходы на эксплуатацию;
- простота в обслуживании.
К недостаткам можно отнести:
- наличие кривошипно-шатунного механизма;
- низкий КПД по сравнению с другими типами двигателей.
Применение в настоящее время
Сегодня паровые машины нашли широкое применение в виде паровых турбин, которые работают как приводы электрогенераторов.
Паровая турбина состоит из вращающихся дисков, которые закреплены на одной оси. Этот узел называется ротором. Также есть статор ‒ его неподвижные диски чередуются с дисками ротора. На дисках ротора размещены лопатки, при попадании на них пара, механизм приходит в движение.
Аналогичные лопатки, только расположенные под противоположным углом, есть и на дисках статора. Они служат для перенаправления струи пара на следующий диск ротора.
Турбина преобразует энергию пара во вращательное движение без каких-либо дополнительных механизмов. То есть преобразование возвратно-поступательного хода во вращательное движение делать не нужно.
Также у турбин меньшие размеры нежели у возвратно-поступательных машин, и они отличаются постоянным усилием на выходном валу. Ещё один плюс ‒ простая конструкция, а значит придётся меньше тратить средств на эксплуатацию.
Сфера использования паровых турбин ‒ производство электроэнергии. Более 85 процентов электрической энергии вырабатывают именно паровые турбины. Также их используют как судовые двигатели, в частности на подводных лодках и атомоходах.
Теперь вы знаете, как устроен паровой двигатель, что паровая машина, изобретённая ещё в первом столетии нашей эры, вовсе не анахронизм, а современное высокотехнологичное устройство, благодаря которому жизнь многих людей стала комфортнее.
Перспективы применения паровых машин на автомобилях имеют пока туманные очертания, но творческая мысль изобретателя не имеет границ и я с полной уверенностью могу предположить, что скоро появятся двигатели с элементами парового носителя
Подписывайтесь на наш блог, чтобы узнать много нового и интересного. Поделитесь этой информацией с друзьями в социальных сетях ‒ пусть они повысят свой технический уровень, ну и вам будет приятно иметь умных друзей.
Tuesday , Aug 06th
Last update 08:30:58 AM GMT
Паровой двигатель, принцип работы
Паровые двигатели были установлены и приводили в движение большую часть паровозов в период начала 1800 и вплоть до 1950 годов прошлого века. Хочется отметить, что принцип работы этих двигателей всегда оставался неизменным, несмотря на изменение их конструкции и габаритов.
На анимированной иллюстрации приведен принцип работы парового двигателя.
Для генерации подаваемого на двигатель пара использовались котлы, работающие как на дровах и угле, так и на жидком топливе.
Первый такт
Пар из котла поступает в паровую камеру, из которой через паровую задвижку-клапан (обозначена синим цветом) попадает в верхнюю (переднюю) часть цилиндра. Давление, создаваемое паром, толкает поршень вниз к НМТ. Во время движения поршня от ВМТ к НМТ колесо делает пол оборота.
Выпуск
В самом конце движения поршня к НМТ паровой клапан смещается, выпуская остатки пара через выпускное окно, расположенное ниже клапана. Остатки пара вырываются наружу, создавая характерный для работы паровых двигателей звук.
Второй такт
В то же самое время, смещение клапана на выпуск остатков пара открывает вход пара в нижнюю (заднюю) часть цилиндра. Созданное паром в цилиндре давление заставляет поршень двигаться к ВМТ. В это время колесо делает еще пол оборота.
Выпуск
В конце движения поршня к ВМТ остатки пара освобождаются через все то же выпускное окно.
Цикл повторяется заново.
Паровой двигатель имеет т.н. мертвую точку в конце каждого хода, когда клапан переходит от такта расширения к выпуску. По этой причине каждый паровой двигатель имеет два цилиндра, что позволяет запускать двигатель из любого положения.
11 августа 1807 года принято считать днем рождения парового судна. В этот день произошло испытание парохода, построенного талантливым американским инженером Робертом Фултоном. Пароход «Клермонт» открыл регулярные рейсы по реке Гудзон между Нью-Йорком и Олбени. В 1838 году британский пароход «Great Eastern» пересек Атлантику, не поднимая парусов, хотя и имел парусное вооружение. Рост промышленности требовал корабли и суда, которые могли бы независимо от воли стихии совершать регулярные рейсы по Атлантическому и Тихому океанам. В XIX веке резко возросли размеры паровых судов, а вместе с ними и мощности паровых машин. К 90-м годам мощность их была доведена до 9000 лошадиных сил.
Постепенно паровые машины становились все более мощными и надежными. Первые судовые силовые установки состояли из поршневой паровой машины и больших маломощных котлов, отапливаемых углем.
Сто лет спустя коэффициент полезного действия (КПД) паровой силовой установки уже равнялся 30 процентам, и развивала мощность до 14720 кВт, а число обслуживающего персонала сократилось до 15 человек. Но малая производительность паровых котлов требовала увеличения их количества.
На грани двух веков паровыми машинами оборудовались в основном пассажирские суда и грузопассажирские корабли, чисто грузовыми судами были только парусники. Это объяснялось несовершенством и малой эффективностью паровой силовой установки того времени.
Применение появившихся в 80-х годах XIX века водотрубных котлов, которые сейчас работают на жидком топливе, улучшило эффективность паровых силовых установок. Но коэффициент полезного действия их достиг всего лишь 15 процентов, чем и объясняется прекращение постройки пароходов. Но в наше время еще можно встретить суда, приводимые в движение поршневыми паровыми машинами это речной пароход «American Queen».
Судовые поршневые паровые машины
поршневой паровой двигатель
В судовых силовых установках с паровыми машинами в качестве рабочего тела используется водяной пар. Поскольку пресную воду на судах можно перевозить только в ограниченном количестве, в данном случае применяют замкнутую систему циркуляции воды и пара. Разумеется, при работе силовой установки возникают определенные потери пара или воды, однако они незначительны и возмещаются водой из цистерны или испарителей.
Принцип действия поршневой паровой машины
Рабочий пар подается в паровой цилиндр через паровые поршни. Он расширяется, давит на поршень и заставляет его скользить вниз. Когда поршень достигает своей нижней точки, парораспределительный золотник изменяет свое положение. Свежий пар подается под поршень, в то время как пар, заполнявший прежде цилиндр, вытесняется.
Теперь поршень движется в противоположном направлении. Таким образом, поршень совершает во время работы движения вверх и вниз, которые с помощью кривошипно-шатунного механизма, состоящего из штока, ползуна и соединенного с коленчатым валом шатуна, преобразуются во вращательные движения коленчатого вала. Впуск и выпуск свежего и отработавшего пара регулируют клапаном. Клапан приводится в действие от коленчатого вала посредством двух эксцентриков, которые через штанги и шатун соединены с золотниковой штангой.
Перемещение шатуна с помощью переводного рычага вызывает изменение количества пара, заполнившего цилиндр за один подъем поршня, а следовательно, меняются мощность и частота вращения машины. Когда шатун находится в среднем положении, пар уже не входит в цилиндр, и паровая машина прекращает движение. При дальнейшем перемещении шатуна с помощью переводного рычага машина снова приводится в движение, на этот раз в противоположном направлении. Это обусловливает обратное движение судового движителя.
В первых судовых силовых установках применяли поршневые паровые машины, в которых расширение от входного до выходного давления и до давления в конденсаторе происходило в одном цилиндре. Принцип действия поршневой паровой машины показан на рисунке 2. Со временем стали применять машины многоступенчатого расширения. Принцип действия машины трехступенчатого расширения схематично показан на рисунке 3.
поршневая паровая машина
поршневая паровая машина трехкратного росширения