Как работает паровой двигатель
Avtorazbor61.ru

Автомобильный портал

Как работает паровой двигатель

Сообщества › Это интересно знать. › Блог › Паровоз. Как он устроен и работает.

В соседнем сообществе и в своём блоге опубликовал статью о последнем Советском паровозе, здесь же хочу продолжить тему паровозов и рассказать о том как устроена и работает уникальная паровая машина, изобретённая ещё в 18 веке! Конструкция паровоза, это масса технических изобретений и идей, ибо заставить работать бесперебойно и безопасно паровую машину, в топке которой температура порой достигает 1800℃, а нагрузка в котлах паровозов повышенного давления доходит до 60 атм, при мощностях некоторых моделей до 8000 л.с., очень не просто! Паровозы, на протяжении всей своей истории, совершенствовались и модернизировались, для повышения надёжности конструкции и улучшения КПД, который так и не удалось поднять выше 9,22%, на сегодня, это лучший показатель, который был у советского паровоза ЛВ. Паровоз обслуживался бригадой из 3х человек — машинист, помощник и кочегар. В качестве топлива, в зависимости от модели, использовались, как твёрдое топливо — уголь, торф, древесина, так и нефтепродукты или газ.

Так как же устроен паровоз?

Обратимся к Википедии, там есть удачная картинка с описанием:

Интересный фильм о паровозах:

Вприхлопку: Как устроен паровоз
Машинисты паровозов всегда отличались богатырским здоровьем и хорошей зарплатой

Буквально какие-то 20 лет назад увидеть паровоз можно было запросто. Они стояли, заколоченные, на станциях. И вся инфраструктура тоже сохранялась на случай войны. Теперь все не так: нет ни паровозов (осталось, дай бог, штук триста на всю страну), ни машинистов — навыки уходят вместе с ветеранами. Как же функционирует стальная машина?

Растопка
Холодный паровоз доставляют в депо и ставят в стойло (термин, доставшейся чугунке в наследство от времен почтовых лошадей). Из котла вынимают мешочки с силикагелем — веществом, впитывающим влагу (его кладут в котел на время консервации паровоза). Отмывают соляркой детали от консервационной смазки. Доверху наполняют водой котел и тендер. Развешивают на колесах ведущие дышла и кулисные тяги. В топку сначала забрасывают негодные шпалы, дрова и доски, которые поджигают. Когда растопка запылает, осторожно бросают первые лопаты угля и ждут, когда он займется. Постепенно добрасывают еще и еще, пока вся колосниковая решетка не окажется охваченной ровным горящим слоем. Вода в котле закипит часа через три-четыре. Как только в котле создастся давление 34 атмосферы, паровоз делается вполне автономным: оживает сифон — устройство, создающее искусственную тягу в топке.

Начинается подготовка к рейсу. В тендер паровоза выливают порцию антинакипина. Один миллиметр толщины слоя накипи на трубах — это 600 кг (!) лишнего веса в котле. Раньше пробу воды снимали после каждого рейса: набирали воду в особый чайник из краника на котле, который так и называется — «водопробный», и сдавали в лабораторию. В лаборатории устанавливали необходимую дозу антинакипина, которая зависела от жесткости грунтовых вод на участке работы паровоза. До сих пор на тендерах паровозов можно встретить надпись: «Вода отравлена. Для питья непригодна». Впрочем, старики утверждают: «Сколько раз пили — и ничего».
Из масленок с длинными носами заливают масло в смазочные пресс-аппараты, турбинку и воздушный насос. На паровозе масло применяется разных сортов, важно его не перепутать и не залить, скажем, в паровой цилиндр масло, предназначенное для смазки букс. Сегодня настоящие паровозные масла — «вапор», «цилиндровое», «вискозин» — также стали музейными экспонатами, и все заменяются обычным дизельным маслом. А на самых первых паровозах для смазки использовали говяжье сало, олеонафт и растительное масло.

Помощник машиниста ручным винтовым прессом вгоняет смазку в подшипники машины. Машинист тем временем обстукивает молоточком гайки на дышлах, тягах и крейцкопфах. Проверяет, надежно ли они затянуты, готов ли к пути механизм. На паровозе, как в оркестре, все на слух.

Стрелка парового манометра приближается к красной черте предельного давления. Можно ехать. Машинист спускает реверс на передний ход на полную отсечку, дает полнозвучный свисток и плавно открывает регулятор, вслушиваясь в дыхание машины. Плавно, потому что при резком открытии регулятора воду может подхватить и бросить из котла в цилиндры. Последствия бросания бывали таковы, что 300килограммовое дышло, вращающее ведущие колеса, сгибало в дугу, как пластилиновое, а с цилиндров сшибало чугунную крышку, привинченную 20 болтами.

Искусство кидания
Управляет паровозом машинист, а вот топит не кочегар, как думает большинство непосвященных, а помощник машиниста. Отопление требует большого опыта, сообразительности, и слова «Бери больше — кидай дальше!» тут совершенно неприменимы.

Уголь забрасывают в топку вручную особой лопатой, сугубо паровозной, с длинным ковшом и коротким черенком. Угли бывают самые разные и сильно различаются как по размерам кусков, так и по свойствам: например, бурый подмосковный уголь паровозники звали «землей» — он почти не горел, приходилось заваливать им топку чуть не до потолка. А вот, скажем, донецкие антрациты горели очень жарко, но, если помощник упускал момент, плавились и заливали колосники, из-за чего прекращался доступ в топку воздуха — после этого паровоз оставалось лишь тушить и образовавшийся монолит разбивать отбойным молотком. Самые лучшие — так называемые газовые, длиннопламенные и паровично-жирные угли, сами названия которых, кажется, горят.

От того, насколько искусен помощник, зависит жизненно важный вопрос — хватит ли в пути пару? А кочегар на паровозе обычно выполняет лишь вспомогательные работы — смазывает буксы тендера, подгребает уголь в лоток, набирает воду из колонки и т. п. В старину кочегарами обычно были практиканты или пенсионеры.

Когда паровоз движется с работающей машиной, а не по инерции, топят «вприхлопку» — то есть помощник бросает уголь, а кочегар открывает дверцы топки только в момент броска лопаты и сразу же их закрывает, чтобы в топку не шел холодный воздух. Очень важно не переохлаждать котел: паровоз простужается как человек, но, увы, с куда более серьезными последствиями, вплоть до взрыва котла (мощностью с приличную фугасную бомбу), а иногда и улетания оного в небо, как ракеты, что в свое время случалось не так уж редко.

Работа на паровозе — нелегкий физический труд. Однако он всегда был высокооплачиваемым и очень престижным, овеян огромным уважением и почетом. Кроме того, по статистике паровозники были физически здоровее, чем их коллеги, работающие на тепловозах и электровозах. Когда машинист шел по улице в фуражке с особым белым кантом и поездочным «сундучком-шарманкой», встречные приветствовали его, снимая шапку.

ЗЫ: И в заключении рекомендую почитать Будни паровозной бригады, очень интересно!

Когда автомобиль будет иметь паровой двигатель?

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.

Читать еще:  Как отключить таймер на сигнализации шерхан

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.

Паровой двигатель

Говорят, что кипящий на огне чайник натолкнул в своё время шотландского изобретателя Джеймса Ватта на мысль использовать пар для создания универсального двигателя. Это, конечно же, легенда. Впрочем, подобные легенды, сопутствуют любому великому открытию или изобретению – достаточно вспомнить знаменитое яблоко Ньютона, ванну Архимеда или пророческие сны Менделеева. На самом деле первые паровые машины были изобретены задолго до Ватта – по меньшей мере, лет за двести.

История парового двигателя

Создатель первой паровой машины, а, точнее, её прообраза, был величайшим инженером в истории человечества. Он жил в Александрии во втором или первом веках до нашей эры –точно неизвестно. Звали его Герон Александрийский. Одно из самых известных его изобретений называлось эолипил – шар бога ветров Эола. Это устройство представляло собой наглухо запаянный котёл с двумя трубками на крышке. Сверху на трубке устанавливался полый шар с соплами. Когда вода в котле закипала, пар поднимался вверх, вырывался из сопел и вращал шар. По сути эолипил Герона являл собой прототип паровых турбин, и даже, можно сказать, прообраз первых реактивных двигателей, однако не был востребован в этом качестве. Современники Герона считали шар бога ветров Эола забавной игрушкой, и только.

В 1690 году французский физик Дени Папен придумал устройство, которое могло поднимать груз, используя силу пара, но не сумел создать работоспособную конструкцию. Однако именно Папен первым описал все процессы замкнутого термодинамического цикла – парообразование, расширение пара, конденсацию. Он же изобрёл паровой котёл, проложив тем самым путь к первому паровому двигателю.

Существует очень много легенд, связанных с изобретением Папена. Рассказывают например, что изобретатель обратил внимание на котёл с развариваемыми в нём костями на одной из мыловарен. Внимание его привлёк груз, который работники ложили на крышку кастрюли, чтобы ускорить процесс разваривания. Поскольку высвобождающийся пар всё время сдвигал крышку, Папен придумал предохранительный спускной клапан, а спустя восемь лет, благодаря этому изобретению, изобретатель Томас Севери создал первый промышленный паровой двигатель, который можно было использовать на производстве. Пожарная установка Севери являлась поршневым паровым насосом – водоподъёмником. В 1698 году Севери опубликовал описание своей машины, и взял на неё патент.

Насос Севери был маломощным и не очень эффективным, но за неимением лучшего начал широко использоваться для откачки воды из шахт. Сам Севери называл своё изобретение другом рудокопов. Один такой двигатель в 1707 году приобрёл Пётр 1. Машина была установлена в Летнем саду для приведения в действие фонтанов.
В 1705 году соотечественник Севери Томас Ньюкомен занялся созданием более практичной пароатмосферной машины. Ньюкомен был кузнецом по профессии, и изобретателем по призванию. Вместе с ним над этой машиной работал стеклодел Джон Коули. Они объединили идеи Папена и Севери, добавив предохранительный клапан в котёл и поршень в камеру насоса. Чуть позже они заменили ручное открывание-закрывание клапанов автоматическим.

Первая действующая модель машины Ньюкомена и Коули была создана в 1712 году, но получить патент на неё изобретатели не смогли, поскольку действие патента Севери на тот момент ещё не закончилось, и пришлось Ньюкомену взять Севери в компанию.
С развитием угледобывающей промышленности и разработкой более глубоких пластов спрос на водоподъёмные насосы рос огромными темпами. Машины Ньюкомена быстро вытеснили с шахт и рудников Англии друга рудокопов, а к двадцатым годам 18 века завоевали почти всю Европу. Их, кстати, применяли не только для откачки воды, но и для систем водоснабжения и в гидротехнических сооружениях. Например, одна из машин Ньюкомена, построенная в 1720 году, снабжала Лондон водой из Темзы. С этих машин, а точнее, с недействующей модели одной из них и начинается история изобретателя парового двигателя Джеймса Ватта.

В 1763 году один из профессоров университета в шотландском городе Глазго поручил Джеймсу Ватту –механику университетской мастерской, отремонтировать модель паровой машины Ньюкомена. Ватт приступил к ремонту без особого вдохновения –отремонтировать можно то, что сломалось, а этот злосчастный экспонат никогда не работал, но задание было получено, делать было нечего.
Возился Ватт с этой моделью долго – несколько недель, пока однажды вдруг не сообразил, что дело не в самой модели, а в принципах её устройства, и это была совсем другая задача –более интересная для изобретателя. С этого момента вместо ремонта университетского экспоната Ватт занялся созданием собственной паровой машины.

Ватт не был инженером-конструктором, у него вообще не было никакого образования, даже среднего. Он родился в крохотном шотландском городке Гринок, в школу ходил от случая к случаю, потому что был хилым ребёнком и страдал постоянной головной болью, но при этом он был очень начитанным, наблюдательным и умным, превосходно знал математику. В 1757 году дядя Джеймса помог племяннику открыть при университете мастерскую по ремонту и изготовлению математических и физических приборов. Так в 21 год Джеймс Ватт и стал механиком.

Над моделью своего универсального парового двигателя Ватт работал в общей сложности десять лет. Он предложил специальный цилиндр-конденсатор, в котором происходила конденсация пара, то есть, если раньше и впуск пара, и его конденсация осуществлялись в одном цилиндре, то, выделив специальный цилиндр-конденсатор, Ватт смог поднять КПД.

После изобретения нужно было вкладывать дополнительные средства в усовершенствование машины, но как раз в этот самый момент Джон Ребок, финансировавший работы, разорился. Ватт начал лихорадочно искать альтернативные источники финансирования, и чуть было не уехал в Россию по приглашению царского правительства. За занятия, сообразные с его вкусом и познаниями, английскому инженеру было обещано ежегодное жалование в 1000 фунтов стерлингов. Это было удивительное предложение! Удивительное тем, что действующая, работоспособная, и, более того, уже испытанная на производстве пароатмосферная машина непрерывного действия на тот момент уже 6 лет как была создана в самой России русским инженером Иваном Ползуновым.

Весной 1763 года, когда Джеймс Ватт получил задание отремонтировать недействующую модель машины Ньюкомена, горный инженер Иван Иванович Ползунов подал начальнику Колывановоскресенских заводов предложение о постройке изобретённой им огнедействующей машины для заводских нужд. Это был настоящий прорыв, ведь во второй половине 18 века промышленность России располагала только двумя видами заводских машин –воздуходувными мехами для металлургических печей и молотами для ковки металлов. Самым совершенным двигателем для них было водяное колесо, именно поэтому металлургические заводы строили не рядом с рудниками, а рядом с водоёмами, что, конечно же, было крайне неэффективно. В тех случаях, когда доставка руды, леса и горючего к водоёму была невозможна, рядом с заводом рыли пруд – это было ещё невыгодней; производство часто останавливалось – то воды в пруду не хватало, то во время паводков уровень её поднимался выше допустимого, а иногда стремительное половодье целиком разрушало плотину.
Огнедействующая машина была придумана Ползуновым для того, чтобы освободить металлургические заводы от рабской водяной зависимости, и, как говорил сам изобретатель, «облегчить труд по нас грядущим».
По принципу действия машина Ползунова была пароатмосферным двигателем, причём, двигателем универсальным – его можно было использовать в любом производстве и сооружать в любом месте. Напомним, что Ватт создал свою модель только шесть лет спустя – в 1769, с мощностью в 3-4 лошадиных силы, тогда как мощность двигателя Ползунова составляла 32. Паровой двигатель Ватта был его первым изобретением, а вот Ползунов уже имел на своём конструкторском счету и вододействующую лесопилку, и множество других остроумных приспособлений и новшеств, придуманных для нужд завода.

Как и Ватт, Ползунов не имел никакого образования. Он родился на Урале, в Екатеринбурге, рос в очень бедной семье. Его отец был солдатом, но маленькому Ване Ползунову повезло – заводской механик Никита Бахарев взял его в механические ученики. Учеником Ваня Ползунов оказался расторопным и сметливым – самостоятельно изучил книги по металлургии и минералогии, прочёл все труды Ломоносова, а также работы известного российского химика Ивана Андреевича Шлаттера. К которому и попала на отзыв в 1763 году проект Ползунова об «огнедышащей машине». Шлаттер нашёл проект оригинальным и доложил об этом Екатерине 2. Ползунов тут же был «произведён в механику со с чином и званием инженерного капитал-поручика, и представлен к награде в 400 рублёв». А также ему было предложено поступить на учёбу в академию. Но в тот момент Ползунов мечтал вовсе не об учёбе, ему не терпелось приступить к строительству своей «огнедышащей машины». Ползунов планировал сначала построить небольшой опытный образец, однако его заставили сразу же приступить к постройке крупной установки, которая обслуживала бы 10-12 печей. Она занимала целое здание. При этом Ползунова не обеспечили ни квалифицированными рабочими, ни грамотными помощниками, ни даже необходимыми инструментами. Тем не менее, работу Иван Иванович выполнил за тринадцать месяцев, заплатив за это чахоткой и умерев, не дожив до пуска своего парового дракона одну неделю. Первый в истории планеты пароатмосферный двигатель был пущен в эксплуатацию 7 августа 1766 года, проработав с небольшими перерывами до ноября и успел за это время не только окупить все расходы на его постройку, но и принести ощутимую прибыль – почти 12000 рублей. Потом у огнедышащей машины прогорел котёл. Можно было починить этот или установить новый, но заводское начальство, исходя из каких-то своих соображений, решило «агрегат больше в работу не пущать». Машину остановили, разобрали на части, и забыли и про неё, и про гениального русского изобретателя на долгие годы.

Читать еще:  Как снять подшипник хвостовика уаз

Спустя три года после смерти Ползунова русское правительство обратится к Ватту с очень заманчивым предложением. На тот момент у Ватта ещё не будет работоспособного парового двигателя, но зато будет оформлен патент на него.

Свой первый патент Ватт получил 5 января 1769 года, но это был патент не на паровой двигатель, а на принципы его работы. Патентная формула, говоря современными словами, состояла из шести пунктов. Ватт запатентовал теплоизоляционную оболочку цилиндра, уплотнения и отдельный сосуд-конденсатор. Он также получил авторские права на то, что воздух должен удаляться из конденсатора насосом, и на применение упругой силы давления пара. Первоначально Ватт получил патент на 14 лет, затем продлил его ещё на 25, а первую работоспособную машину он построил только в 1775 году – через 9 лет после Ползунова. Следующие 25 лет жизни Ватт занимался незначительными усовершенствованиями своего парового двигателя и получением разнообразных патентов на эти усовершенствования.

Самым знаменитым считается патент № 1432. Ватт получил его в 1782 году, закрепив за собой права на подачу пара с двух сторон цилиндра и на использование пара высокого давления. Этот патент, по сути своей, не столько охранял авторские права, сколько блокировал работу конкурентов. Сам Ватт никогда не изобретал, и не собирался в будущем строить машину высокого давления, зато такую машину спроектировал ещё в 1781 году английский инженер Джон Хорнблауэер, и если бы не патент Ватта № 1432, он запросто завоевал бы рынок, так как агрегаты Хорнблауэра были более мощными и более экономичными.

Кстати, в 1782 же году Ватт запатентовал и локомотив. К самой идее он относился очень скептически, но на всякий случай авторские права за собой застолбил.

Первые паровые машины были очень просты, но при этом очень надёжны – паровая машина Старушка Бесс, которую Ватт построил для своего завода в Сохо, проработала без перерыва 71 год. Настоящим долгожителем можно считать паровую машину Ватта, которая работала на Бирмингемском канале 121 год — с 1877 по 1898. Однако рекорд работоспособности – 141 год, принадлежит паровой машине Ньюкомена. Начав трудовую деятельность в 1787 году, она вышла на пенсию в 1928, и до сих пор время от времени подрабатывает на киносъёмках.

Паровые автомобили, обгоняющие самолеты: история

Несмотря на архаичность конструкции, повозка развила приличную скорость, о чем свидетельствует конец первого в истории заезда: водитель не справился с управлением и врезался в стенку. Спустя сто лет паровые автомобили вовсю носились по городским улицам, развивая приличные даже по сегодняшним меркам скорости.

Первый паровой автомобиль Кюньо

В январе 1906 года Фред Мариотт на паровичке с удивительно скромным названием «Ракета», построенном компанией «Братья Стенлей», впервые в мире преодолел 200-километровую отметку, развив скорость в 205,4 км/ч. «Ракета» обгоняла не только любой автомобиль того времени, но и даже самолет. В следующем году прославленный гонщик разбился — опять же на паровом автомобиле. Как показало расследование, на скорости 240 км/ч. Напомним, шел 1907 год. К началу XX века по дорогам колесили уже десятки тысяч паровых автомобилей, в основном грузовиков. От бензиновых собратьев они отличались чрезвычайной долговечностью и надежностью и могли работать на всем, что горит, — угле, дровах, соломе. У этих машин была небольшая скорость (до 50 км/ч), они брали на борт сотни литров воды и выпускали пар в атмосферу.

В Европе паровые автомобили продержались до начала Второй мировой войны и еще в 50-е годы серийно выпускались в Бразилии. Однако были у замечательных машин и серьезные недостатки: после твердого топлива остается много золы и шлака, в его дымесодержится копоть и сера, что абсолютно неприемлемо для городских улиц. Но даже не копоть поставила крест на таких автомобилях. Дело в том, что растопка котла на твердом топливе длилась около двух часов. Поэтому их старались не гасить вовсе — на ночь котел подключали к зданию, нуждавшемуся в тепле, а утром через 10−15 минут автомобиль был готов отправиться в путь. Аналогично использовались железнодорожные паровозы — для отопления небольших поселков.

Автомобиль на спирте

Альтернативой стал паровой автомобиль на жидком топливе: бензине, керосине и спирте. Казалось бы, зачем применять паровой котел, если жидкое топливо прекрасно горит и в двигателе внутреннего сгорания (ДВС)?

Но инженеры того времени рассуждали иначе. Многим из них казалось, что ДВС для транспорта не пригоден: его нельзя запустить, не размыкая трансмиссию, достаточно его притормозить, и он глохнет. ДВС не развивает достаточную тягу во всем диапазоне скоростей, и его приходится дополнять коробкой передач. А теперь посмотрите на паровую машину. Она обладает способностью автоматически приспосабливаться к дорожным условиям. Если сопротивление движению возрастает, она замедляет вращение и увеличивает крутящий момент. Если же сопротивление движению уменьшается, она вращается все быстрее и быстрее.

Вспомним паровоз. Поршень его паровой машины соединялся шатуном непосредственно с колесами. Сцепления и коробки передач не было и в помине. Простой подачей пара в цилиндр паровозы трогали с места тысячетонные составы, постепенно увеличивая их скорость, иной раз километров под двести. И все это делал без каких-либо промежуточных элементов простейший (если сравнивать с ДВС) двигатель.

Поэтому инженеры предпочитали изготовить легкий компактный парогенератор и обойтись лишь одной только паровой машиной, не прибегая к коробке передач и сцеплению.

1887 год, Франция. Гонки паровых автомобилей

Первые паровые автомобили на жидком топливе начинали движение уже через 23 минуты. Они выпускали пар в атмосферу, и им требовалось около 30 л бензина и более 70 л воды на 100 км пути. Именно такой двигатель стоял на чемпионской «Ракете».

Автомобиль для миллионеров

В 1935 году на Московском автозаводе им. Сталина (ныне ЗИЛ) появился легковой автомобиль высшего класса с кузовом из красного дерева на шасси «Паккард» из хромоникелевой стали. Этот автомобиль, сделанный американской фирмой «Беслер» по лицензии компании «Добль» в 1924 году, был паровым. Под его капотом размещались парогенератор и два (один за другим) радиатора. На заднем мосту стояла небольшая паровая машина, выполненная в едином блоке с дифференциалом. Сцепления, коробки передач и карданного вала на автомобиле не было. Управление двигателем осуществлялось педалью подачи пара. Изредка приходилось изменять отсечку — фазу прекращения впуска пара в цилиндр. Обычный поворот ключа зажигания — и через 45 секунд автомобиль трогается с места. Еще пара минут — и он готов начать разгон до скорости 150 км/ч с ускорением 2,7 м/с 2 .

Езда на паровом автомобиле — одно удовольствие. Он движется бесшумно и плавно. Тот самый «Добль-Беслер» продолжали испытывать и после войны. Вот что рассказывал инженер-испытатель автомобиля А.Н. Малинин.

В автoмобильной промышленности широко используются испытательные стенды с беговыми барабанами. На таком стенде автомобиль устанавливают ведущими колесами на специальные барабаны, которые имитируют дорогу: мотор работает, колеса вертятся, «дорога» движется, а машина стоит.

И вот однажды в кабину паровичка, стоявшего на таком стенде, сели Малинин и профессор Чудаков (мировая величина в области теории автомобиля). Сели и сидят в полной тишине. Только профессор кнопки нажимает и на приборы поглядывает. Инженер поскучал и спрашивает: «Не пора ли в путь?» «А мы давно уже едем», — отвечает профессор. Спидометр показывал 20 км/ч — величину по тем временам приличную.

По нашим понятиям улицы тогда были пустынны. Но чтобы услышать шум работы парового автомобиля даже на такой улице, приходилось прикладывать ухо к выхлопной трубе парогенератора. Тут тоже требуется пояснение. Двигатель автомобиля «Добль-Беслер» работал по замкнутому циклу с конденсацией пара.

1900 год, США. Паровые грузовики на улицах Денвера

70 л воды хватало на 500 км езды. Выпускать пар на улицу приходилось лишь в редких случаях. Поэтому при хорошо сделанных механизмах в автомобиле просто ничего не могло шуметь, а из парогенератора доносился лишь шум пламени.

Ездить на всем, что горит

Сгорание топлива в цилиндре двигателя внутреннего сгорания (ДВС) протекает при постоянно меняющихся количестве кислорода и температуре, что приводит к образованию огромного объема токсичных веществ. Легковой автомобиль за час работы вырабатывает их достаточно для гибели не одного человека.

В горелке парогенератора все процессы протекают при постоянных и наилучших условиях, поэтому токсичность выхлопа парового автомобиля в сотни раз ниже, чем у автомобиля с ДВС. Проще говоря, сгорание топлива в парогенераторе — длительный непрерывный процесс, как в кухонной газовой горелке. В нем успевают полностью завершиться почти все реакции, чего не удается сделать в цилиндре ДВС.

1910 год, Англия. После тысячемильного пробега

Важнейший показатель автомобиля — расход топлива. «Добль-Беслер» выпуска 1924 года при массе 2200 кг в среднем расходовал 18 л бензина на 100 км. Это было довольно мало для того времени и оставалось приемлемо для машин такой массы на протяжении 40 лет. Заметим, что в горелке парогенератора могло гореть любое жидкое топливо — бензин, керосин, спирт, растительное масло, мазут… Хотя задача удешевления или экономии топлива в данном случае не ставилась. Автомобиль предназначался для миллионеров.

Наследник самогонного аппарата

Самый важный элемент автомобиля — парогенератор. Он был разработан американскими изобретателями братьями Добль еще в 1914 году и выпускался в Детройте. Он состоял из 10 соединенных последовательно плоских змеевиков в корпусе из жаропрочной стали. Стенки корпуса также были увиты трубками с водой. Холодная вода из конденсатора при помощи небольшого насоса подавалась вначале в трубку, обвивающую стенки корпуса, где немного подогревалась. Это уменьшало потери тепла через стенки. А дальше она поступала в змеевики, где закипала и превращалась в перегретый пар с температурой 450 °C и давлением 120 атмосфер.

Читать еще:  Термостатная сметана что это

1953 год, Марлоу (Англия). Фермер Артур Наппер направляется на паровом тракторе на соревнования трактористов

Такие параметры пара для того времени считались крайне высокими. Как говорит теория, с увеличением температуры и давления пара КПД паровой машины растет. Воспользовавшись этим, братья Добль сделали ее весьма экономичной и легкой. Она имела два цилиндра, и каждый из них был сдвоенным. Пар вначале подавался в верхнюю часть малого диаметра, где расширялся и совершал работу. После этого он поступал в нижнюю часть, имевшую большие диаметр и объем, где совершал дополнительную работу. Принцип двойного расширения был особенно полезен при движении по городу. Здесь часто (например, в момент разгона или троганья с места) в машину подавались большие порции пара, которые бы не сумели отдать всю свою энергию, расширяясь однократно.

Отработанный пар отдавал свое тепло холодной воде, поступавшей в парогенератор, и лишь только после этого попадал в конденсатор, где превращался в воду. Вода подавалась в парогенератор порциями, достаточными лишь для совершения одного-двух ходов поршня паровой машины. Поэтому в парогенераторе единовременно содержалось лишь несколько десятков граммов воды, и это его делало абсолютно взрывобезопасным. При разрыве трубки пар струйкой втекал в топку и автоматика выключала горелку. Подобный случай произошел лишь однажды — после пробега более чем в 200 тысяч километров. Об этом узнали только потому, что автомобиль перестал заводиться. Ремонт длился не более часа и сводился к замене змеевика.

1955 год. Карьерный паровой грузовик за работой

Куда они делись

Возникает вопрос: если паровые автомобили так хороши, то почему же они не вытеснили автомобили с ДВС? Паровой двигатель, насыщенный автоматикой, множеством вспомогательных агрегатов, в начале XX века был сложнее и дороже, чем ДВС, и при этом имел меньший КПД. К тому же, занимал довольно много места — в первую очередь из-за необходимости иметь отдельный бак с водой. Токсичность же выхлопа в те времена никто не ограничивал. И паровая машина проиграла.

С тех пор ДВС значительно усложнился, оброс электроникой, а для снижения токсичности его выхлопа используется специальная система. Сложными стали и трансмиссии. Так что неизвестно, на чем бы мы ездили сейчас, появись экологические требования на полвека раньше.

Как работает паровой двигатель

Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга , которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.

Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов.

В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) 1930 -х годов, со множеством современных усовершенствований, таких, как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т. д. В результате такие паровозы имеют на 60 % меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами.

Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса. При этом паровая машина паровоза продолжает развивать тяговое усилие даже в случае остановки колёс (упор в стену), чем отличается от всех других видов двигателей, используемых на транспорте.

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определён как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты , содержащейся в топливе . Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла. КПД тепловой машины равен

,

где W out — механическая работа, Дж; Q in — затраченное количество теплоты, Дж.

Тепловой двигатель не может иметь КПД больший, чем у цикла Карно , в котором количество теплоты передается от нагревателя с высокой температурой к холодильнику с низкой температурой. КПД идеальной тепловой машины Карно зависит исключительно от разности температур, причём в расчётах используется абсолютная термодинамическая температура . Следовательно, для паровых двигателей необходимы максимально высокая температура T 1 в начале цикла (достигаемая, например, с помощью пароперегрева ) и как можно более низкая температура T 2 в конце цикла (например, с помощью конденсатора ):

Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл) от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более. Тепловая электростанция с пароперегревателем и регенеративным водоподогревом может достичь КПД 30 — 42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать коэффициента полезного действия 50 — 60 %. На ТЭЦ эффективность повышается за счёт использования частично отработавшего пара для отопления и производственных нужд. При этом используется до 90 % энергии топлива и только 10 % рассеивается бесполезно в атмосфере.

Такие различия в эффективности происходят из-за особенностей термодинамического цикла паровых машин. Например, наибольшая отопительная нагрузка приходится на зимний период, поэтому КПД ТЭЦ зимой повышается.

Одна из причин снижения КПД в том, что средняя температура пара в конденсаторе несколько выше, чем температура окружающей среды (образуется т. н. температурный напор ). Средний температурный напор может быть уменьшен за счёт применения многоходовых конденсаторов. Повышает КПД также применение экономайзеров, регенеративных воздухоподогревателей и других средств оптимизации парового цикла.

Станцыонарные Паровые машины могут быть разделены на два типа по режиму использования:

Паровая лебёдка в сущности является стационарным двигателем, но установлена на опорной раме, чтобы её можно было перемещать. Она может быть закреплена тросом за якорь и передвинута собственной тягой на новое место.

В большинстве возвратно-поступательных паровых машин пар изменяет направление движения в каждом такте рабочего цикла, поступая в цилиндр и выходя из него через один и тот же коллектор. Полный цикл двигателя занимает один полный оборот кривошипа и состоит из четырёх фаз — впуска, расширения (рабочая фаза), выпуска и сжатия. Эти фазы контролируются клапанами в «паровой коробке», смежной с цилиндром. Клапаны управляют потоком пара, последовательно соединяя коллекторы каждой стороны рабочего цилиндра с впускным и выпускным коллектором паровой машины. Клапаны приводятся в движение клапанным механизмом какого-либо типа. Простейший клапанный механизм даёт фиксированную продолжительность рабочих фаз и обычно не имеет возможности изменять направление вращения вала машины. Большинство клапанных механизмов более совершенны, имеют механизм реверса, а также позволяют регулировать мощность и крутящий момент машины путём изменения «отсечки пара», то есть изменяя соотношение фаз впуска и расширения. Так как обычно один и тот же скользящий клапан управляет и входным и выходным потоком пара, изменение этих фаз также симметрично влияет на соотношения фаз выпуска и сжатия. И здесь существует проблема, поскольку соотношение этих фаз в идеале не должно меняться: если фаза выпуска станет слишком короткой, то большая часть отработанного пара не успеет покинуть цилиндр, и создаст существенное противодавление на фазе сжатия. В 1840-х и 1850-х годах было совершено множество попыток обойти это ограничение, в основном путём создания схем с дополнительным клапаном отсечки, установленном на основном распределительном клапане, но такие механизмы не показывали удовлетворительной работы, к тому же получались слишком дорогими и сложными. С тех пор обычным компромиссным решением стало удлинение скользящих поверхностей золотниковых клапанов с тем, чтобы впускное окно было перекрыто дольше, чем выпускное. Позже были разработаны схемы с отдельными впускными и выпускными клапанами, которые могли обеспечить практически идеальный цикл работы, но эти схемы редко применялись на практике, особенно на транспорте, из-за своей сложности и возникающих эксплуатационных проблем

Множественное расширение

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

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

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

Прямоточные паровые машины

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

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

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector