Как устроен паровой двигатель схема: Схема устройства и принцип работы паровой машины

Содержание

Схема устройства и принцип работы паровой машины

Паровой машиной называется тепловой двигатель, в котором по­тенциальная энергия расширяющегося пара преобразуется в меха­ническую энергию, отдаваемую потребителю.

С принципом действия машины ознакомимся, воспользовавшись упрощенной схемой фиг. 1.

Внутри цилиндра 2 находится поршень 10, который может пере­мещаться вперед и назад под давлением пара; в цилиндре имеются четыре канала, которые могут открываться и закрываться. Два верх­них пароподводящих канала 1 и 3 соединены трубопроводом с паро­вым котлом, и через них в цилиндр может поступать свежий пар. Через два нижних капала 9 и 11 пар, уже совершивший работу, выпускается из цилиндра.

На схеме показан момент, когда каналы 1 и 9 открыты, каналы 3 и 11 закрыты. Поэтому свежий пар из котла по каналу 1 поступает в левую полость цилиндра и своим давлением перемещает поршень вправо; в это время отработавший пар по каналу 9 из правой полости цилиндра удаляется. При крайнем правом положении поршня каналы

1 и 9 закрыты, а 3 для впуска свежего пара и 11 для выпуска отработавшего пара открыты, вследствие чего поршень переместится влево. При крайнем левом положении поршня открываются каналы 1 и 9 и закрываются каналы 3 и 11 и процесс повторяется. Таким образом, создается прямолинейное возвратно-поступательное движе­ние поршня.

Для преобразования этого движения во вращательное приме­няется так называемый кривошипно-шатунный механизм. Он состоит из поршневого штока- 4, соединенного одним концом с поршнем, а другим шарнирно, посредством ползуна (крейцкопфа) 5, скользящего между направляющими параллелями, с шатуном 6, который передает движение, на коренной вал 7 через его колено или кривошип 8.

Величина вращающего момента на коренном валу не является постоянной. В самом деле, силу Р, направленную вдоль штока (фиг. 2), можно разложить на две составляющие: К, направленную вдоль шатуна, и N, перпендикулярную к плоскости направляющих параллелей. Сила N не оказывает никакого влияния на движение, а только прижимает ползун к направляющим параллелям. Сила К

передается вдоль шатуна и действует на кривошип. Здесь ее опять можно разложить на две составляющие: силу Z, направленную по радиусу кривошипа и прижимающую вал к подшипникам, и силу Т, перпендикулярную к кривошипу и вызывающую вращение вала. Величина силы Т определится из рассмотрения треугольника AKZ. Так как угол ZAK = ? + ?, то

Т = К sin (? + ?).

Но из треугольника ОКР сила

K=P/cos ?

поэтому

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

При работе машины за один оборот вала углы ? и ? и сила Р непрерывно меняются, а поэтому величина крутящей (тангенциаль­ной) силы Т также переменна. Чтобы создать равномерное вращение коренного вала в течение одного оборота, на него насаживают тяжелое колесо-маховик, за счет инерции которого поддерживается постоян­ная угловая скорость вращения вала. В те моменты, когда сила

Т возрастает, она не может сразу же увеличить скорость вращения вала, пока не ускорится движение маховика, чего не происходит мгновенно, так как маховик обладает большой массой. В те моменты, когда работа, производимая крутящей силой Т, становится меньше работы сил сопротивления, создаваемых потребителем, маховик опять-таки в силу своей инерции не может сразу уменьшить свою ско­рость и, отдавая полученную при своем разгоне энергию, помогает поршню преодолевать нагрузку.

При крайних положениях поршня углы ? + ? = 0, поэтому sin (? + ?) =0 и, следовательно, Т = 0. Так как вращающее уси­лие в этих положениях отсутствует, то, если машина была бы без маховика, сна должна была бы остановиться. Эти крайние положения поршня  называются мертвыми положениями или мертвыми точками. Через них кривошип переходит также за счет инерции маховика.

При мертвых положениях поршень не доводится до соприкоснове­ния с крышками цилиндра, между поршнем и крышкой остается так называемое вредное пространство. В объем вредного прост­ранства включается также объем паровых каналов от органов парорас­пределения до цилиндра.

Ходом поршня S называется путь, проходимый поршнем при перемещении из одного крайнего положения в другое. Если расстояние от центра коренного вала до центра пальца кривошипа — радиус кривошипа — обозначить через R, то S = 2R.

Рабочим объемом цилиндра Vh называется объем, описываемый поршнем.

Обычно паровые машины бывают двойного (двухстороннего) действия (см. фиг. 1). Иногда применяются машины односторон­него действия, в которых пар оказывает давление на поршень только со стороны крышки; другая сторона цилиндра в таких маши­нах остается открытой.

В зависимости от давления, с которым пар покидает цилиндр, машины разделяются на выхлопны е, если пар выходит в атмо­сферу, конденсационные, если пар выходит в конденсатор (холодильник, где поддерживается пониженное давление), и тепло фикационные, у которых отработавший в машине пар исполь­зуется для каких-либо целей (отопление, сушка и пр.)

 


Как устроен паровой двигатель его преимущества и недостатки

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:

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.

Принцип работы парового двигателя

Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразует энергию пара в механическую работу.

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

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

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

История изобретения паровых машин. Создание паровой машины

Возможности в использовании энергии пара были известны в начале нашей эры. Это подтверждает прибор под названием Героновский эолипил, созданный древнегреческим механиком Героном Александрийским. Древнее изобретение можно отнести к паровой турбине, шар которой вращался благодаря силе струй водяного пара.

Приспособить пар для работы двигателей стало возможным в XVII веке. Пользовались подобным изобретением недолго, однако оно внесло существенный вклад в развитие человечества. К тому же история изобретения паровых машин очень увлекательна.

Понятие

Паровая машина состоит из теплового двигателя внешнего сгорания, который из энергии водяного пара создает механическое движение поршня, а тот, в свою очередь, вращает вал. Мощность паровой машины принято измерять в ваттах.

Принцип действия

Для работы всей системы необходим паровой котел. Образовавшийся пар расширяется и давит на поршень, в результате чего происходит движение механических частей.

Принцип действия лучше изучить с помощью иллюстрации, представленной ниже.

Если не расписывать детали, то работа паровой машины заключается в преобразовании энергии пара в механическое движение поршня.

Коэффициент полезного действия

КПД паровой машины определяется отношением полезной механической работы по отношению к затраченному количеству тепла, которое содержится в топливе. В расчет не берется энергия, которая выделяется в окружающую среду в качестве тепла.

КПД паровой машины измеряется в процентах. Практический КПД будет составлять 1-8%. При наличии конденсатора и расширении проточной части показатель может возрасти до 25%.

Преимущества

Главным преимуществом парового оборудования является то, что котел в качестве топлива может использовать любой источник тепла, как уголь, так и уран. Это существенно отличает его от двигателя внутреннего сгорания. В зависимости от типа последнего требуется определенный вид топлива.

История изобретения паровых машин показала преимущества, которые заметны и сегодня, поскольку для парового аналога можно использовать ядерную энергию. Сам по себе ядерный реактор не может преобразовывать свою энергию в механическую работу, но он способен выделять большое количество тепла. Оно то и используется для образования пара, который приведет машину в движение. Таким же образом может применяться солнечная энергия.

Локомотивы, работающие на пару, хорошо показывают себя на большой высоте. Эффективность их работы не страдает от пониженного в горах атмосферного давления. Паровозы до сих пор применяют в горах Латинской Америки.

В Австрии и Швейцарии используют новые версии паровозов, работающих на сухом пару. Они показывают высокую эффективность благодаря многим усовершенствованиям. Они не требовательны в обслуживании и потребляют в качестве топлива легкие нефтяные фракции. По экономическим показателям они сравнимы с современными электровозами. При этом паровозы значительно легче своих дизельных и электрических собратьев. Это большое преимущество в условиях горной местности.

Недостатки

К недостаткам относится, прежде всего, низкий КПД. К этому стоит добавить громоздкость конструкции и тихоходность. Особенно это стало заметно после появления двигателя внутреннего сгорания.

Применение

До середины ХХ века паровые машины применяли в промышленности. Также их использовали для железнодорожного и парового транспорта.

Заводы, которые эксплуатировали паровые двигатели:

  • сахарные;
  • спичечные;
  • бумажные фабрики;
  • текстильные;
  • пищевые предприятия (в отдельных случаях).

Паровые турбины также относятся к данному оборудованию. С их помощью до сих пор работают генераторы электроэнергии. Около 80% мировой электроэнергии вырабатывается с применением паровых турбин.

В свое время были созданы различные виды транспорта, работающие на паровом двигателе. Некоторые не прижились из-за нерешенных проблем, а другие продолжают работать и в наши дни.

Транспорт с паровым двигателем:

  • автомобиль;
  • трактор;
  • экскаватор;
  • самолет;
  • локомотив;
  • судно;
  • тягач.

Большая часть подобного транспорта стала непопулярной после появления двигателя внутреннего сгорания, чей КПД значительно выше. Такие машины были более экономичными, при этом легкими и скоростными.

Настольная рабочая модель двигателя Стирлинга

Типы двигателей

Двигатели бывают двух основных типов: 

  • двигатели внешнего сгорания (например, паровые двигатели) сжигают топливо в одном месте и производят энергию в другой части той же машины; 
  • двигатели внутреннего сгорания (например, автомобильные двигатели) сжигают топливо и производят мощность в одном и том же месте (в автомобиле все это происходит в сверхпрочных металлических цилиндрах). 

Оба типа двигателей полагаются на тепловую энергию, заставляющую газ расширяться, а затем остывать.

Чем больше разница температур (между самым горячим и самым холодным газом), тем лучше работает двигатель. 

Как работает паровой двигатель

Есть угольный костер, который нагревает воду до тех пор, пока она не закипит и не превратится в пар.

Пар проходит по трубе в цилиндр через открытый входной клапан, где он толкает поршень и приводит в движение колесо.

Затем входной клапан закрывается, и открывается выходной клапан.

Импульс колеса заставляет поршень вернуться в цилиндр, где он выталкивает охлажденный нежелательный пар через выход и дальше вверх по дымовой трубе (дымоходу).

Детали парового двигателя

Паровые двигатели, такие как у этого Локомотива, являются примерами двигателей внешнего сгорания.

Огонь, который и создаёт теплоту, пламя и является источником энергии (1), находится снаружи (вне) цилиндра, где тепловая энергия превращается в механическую энергию (3). Между ними есть котел (2), который превращает тепловую энергию в пар. Пар действует как теплоноситель, толкая поршень (4), который перемещает колеса с помощью кривошипа (5) и приводит в движение поезд (6). Пар и тепловая энергия постоянно выбрасываются из дымовой трубы (7), что делает этот способ особенно неэффективным и неудобным для питания движущейся машины. 

Есть много проблем с паровыми двигателями, но вот четыре из них - наиболее очевидных. 

Во-первых, котел, который производит пар, работает под высоким давлением, и существует риск, что он может взорваться (взрывы котлов были серьезной проблемой с очень ранними паровыми двигателями). 

Взрыв парового котла паровоза

Во-вторых, котел обычно находится на некотором расстоянии от цилиндра, поэтому энергия теряется по пути. Температура внутри кабины машиниста была как в бане – доходила до 100 градусов. Всё это тепло расходовалось, по сути, впустую.

В-третьих, пар, выходящий из дымовой трубы, все еще достаточно горяч, поэтому он содержит потраченную энергию, которая никак не конвертировалась в механическую. 

В-четвертых, поскольку пар выбрасывается из цилиндра каждый раз, когда поршень толкается вперед, двигатель должен потреблять огромное количество воды, а также топлива.

Как работает локомотив

ПаровозСтроение паровоза

  1. Топка
  2. Дверь Топки
  3. Колосники / Колосниковая Решетка
  4. Поддувало – место для поддува воздуха
  5. Уголь
  6. Вода
  7. Жаровые трубы
  8. Регулятор
  9. Коллектор для другого парового оборудования (т. е. свисток, перерывы, воздуходувка и т. д)
  10. Паровой купол
  11. Главная Паровая Труба
  12. Выхлопная труба
  13. Взрывная Труба
  14. Цилиндр
  15. Поршень
  16. Задвижка
  17. Дымоход
  18. Шатун
  19. Рукоятка
  20. Ведущее колесо
  21. Паропровод для тормозов поезда
  22. Боковые резервуары для воды
  23. Песочница, для тяги по мокрым рельсам
  24. Дымосборник 
  25. Предохранительный клапан

Паровой двигатель использует угольный огонь (хотя есть и некоторые исключения) в качестве источника энергии для кипячения воды и получения пара.

Горячие газы от горящего угля в топке проходят через котел в "огненных трубах" (144 штуки в случае Локомотива "Барклай"), прежде чем покинуть двигатель через дымовую трубу и дымоход.

По мере того как вода в котле закипает, горячий “мокрый” пар поднимается вверх и собирается из парового купола на верхней части котла через регулирующий клапан, который машинист использует для управления скоростью движения локомотивов.

Из регулятора пар подается по трубопроводу в цилиндры и поочередно поступает через клапаны-золотники (расположенные сбоку корпуса цилиндра), толкая поршень в цилиндре вперед и назад.

Поршень соединен с ведущими колесами через "шатун" и "кривошип" (или "клапанный механизм", как его обычно называют), и движение поршня туда-сюда вращает ведущие колеса. Каждый раз, когда поршень цилиндра движется вперед и назад, ведущее колесо совершает полный оборот.

Рычаг "кривошипа" на каждой стороне локомотива смещен на 90 градусов, чтобы предотвратить его заклинивание, если паровоз остановится с ними в горизонтальном положении.

После выхода из цилиндра отработанный пар выходит из двигателя через дутьевую трубу и поднимается в дымоход в коптильне. Действие пара в дутьевой трубе создает более низкое давление в дымовой трубе, а также помогает вытягивать горячие газы из огня через трубы котла и в свою очередь производить больше пара.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 3 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Паровой двигатель - это... Что такое Паровой двигатель?

Парова́я маши́на — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.

Значение паровых машин

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

Паровые турбины, формально являющиеся разновидностью паровых машин, до сих пор широко используются в качестве приводов генераторов электроэнергии. Примерно 86% электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с использованием паровых турбин.

Принцип действия

Для привода паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям. Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины они могут использовать практически любой вид топлива — от дров до урана.

Паровая машина в действии

Изобретение и развитие

Эолипил

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

Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским философом, астрономом и инженером XVI века Таги-аль-Дином[1]. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 г. итальянский инженер Джованни Бранка[2] для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.

Однако дальнейшее развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики двигателей могли бы воспользоваться их результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения. Только в конце 17-го столетия паровые двигатели были созданы как единичные курьёзы. Первая машина была создана испанским изобретателем Йеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т.Сейвери (см. ниже). Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 г. англичанином Эдвардом Сомерсетом[3]. В 1663 г. он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в 19-ом столетии). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной.

Проект Дени Папена для машины с поршнем и цилиндром, 1680.

Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-ых в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 г. создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала, как демонстрационная модель, но для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла, проложив таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. Однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил. Папен также проектировал лодку, приводимую в движение колесом с реактивной силой в комбинации концепций Таги-аль-Дина и Сейвери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.

Первые промышленные двигатели

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Паровые машины с возвратно-поступательным движением

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

Вакуумные машины

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

Поршень связан цепью с концом большого коромысла, вращающегося вокруг своей середины. Насос под нагрузкой связан цепью с противоположным концом коромысла, которое под действием насоса возвращает поршень к верхней части цилиндра силой гравитации. Так происходит обратный ход. Давление пара низкое и не может противодействовать движению поршня.[4]

Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. В 1774 году появилась версия паровой машины, созданная Уаттом в сотрудничестве с Мэттью Боултоном, основным нововведением которой стало вынесение процесса конденсации в специальную отдельную камеру (конденсатор). Эта камера помещалась в ванну с холодной водой, и соединялась с цилиндром трубкой, перекрывающейся клапаном. К конденсационной камере была присоединена специальная небольшая вакуумная помпа (прообраз конденсатного насоса), приводимая в движение коромыслом и служащая для удаления конденсата из конденсатора. Образовавшаяся горячая вода подавалась специальным насосом (прообразом питательного насоса) обратно в котёл. Ещё одним радикальным нововведением стало закрытие верхнего конца рабочего цилиндра, в верхней части которого теперь находился пар низкого давления. Этот же пар присутствовал в двойной рубашке цилиндра, поддерживая его постоянную температуру. Во время движения поршня вверх этот пар по специальным трубкам передавался в нижнюю часть цилиндра, для того, чтобы подвергнуться конденсации во время следующего такта. Машина, по сути, перестала быть «атмосферной», и её мощность теперь зависела от разницы давлений между паром низкого давления и тем вакуумом, который удавалось получить. В паровой машине Ньюкомена смазка поршня осуществлялась небольшим количеством налитой на него сверху воды, в машине Уатта это стало невозможным, поскольку в верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку смесью тавота и нефти. Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.[1]

Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничение их эффективности, были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII века. Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора. Максимальный теоретический КПД был ограничен относительно малой разницей температур по обе стороны поршня; это делало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими.

Приблизительно в 1811 году Ричарду Тревитнику потребовалось усовершенствовать машину Уатта, для того чтобы приспособить её к новым котлам Корниша. Давление пара над поршнем достигло 275 кПа (2,8 атмосферы), и именно оно давало основную мощность для совершения рабочего хода; кроме того, был существенно усовершенствован конденсатор. Такие машины получили название машин Корниша, и строились вплоть до 1890-х годов. Множество старых машин Уатта было реконструировано до этого уровня. Некоторые машины Корниша имели весьма большой размер.

Паровые машины высокого давления

В паровых машинах пар поступает из котла в рабочую камеру цилиндра, где расширяется, оказывая давление на поршень и совершая полезную работу. После этого расширенный пар может выпускаться в атмосферу или поступать в конденсатор. Важное отличие машин высокого давления от вакуумных состоит в том, что давление отработанного пара превышает атмосферное или равно ему, то есть вакуум не создаётся. Отработанный пар обычно имел давление выше атмосферного и часто выбрасывался в дымовую трубу, что позволяло увеличить тягу котла.

Важность увеличения давления пара состоит в том, что при этом он приобретает более высокую температуру. Таким образом, паровая машина высокого давления работает при большей разнице температур чем та, которую можно достичь в вакуумных машинах. После того, как машины высокого давления заменили вакуумные, они стали основой для дальнейшего развития и совершенствования всех возвратно-поступательных паровых машин. Однако то давление, которое считалось в 1800 году высоким (275—345 кПа), сейчас рассматривается как очень низкое — давление в современных паровых котлах в десятки раз выше.

Дополнительное преимущество машин высокого давления состоит в том, что они намного меньше при заданном уровне мощности, и соответственно, существенно менее дорогие. Кроме того, такая паровая машина может быть достаточно лёгкой и компактной, чтобы использоваться на транспортных средствах. Возникший в результате паровой транспорт (паровозы, пароходы) революционизировал коммерческие и пассажирские перевозки, военную стратегию, и вообще затронул практически каждый аспект общественной жизни.

Схема горизонтальной одноцилиндровой паровой машины высокого давления, двойного действия. Отбор мощности осуществляется приводным ремнем:
1 — Поршень
2 — Шток поршня
3 — Ползун
4 — Шатун
5 — Коленчатый вал
6 — Эксцентрик для привода клапана
7 — Маховик
8 — Золотник
9 — Центробежный регулятор.
Паровые машины двойного действия

Следующим важным шагом в развитии паровых машин высокого давления стало появление машин двойного действия. В машинах одинарного действия поршень перемещался в одну сторону силой расширяющегося пара, но обратно он возвращался или под действием гравитации, или за счёт момента инерции вращающегося маховика, соединённого с паровой машиной.

В паровых машинах двойного действия свежий пар поочередно подается в обе стороны рабочего цилиндра, в то время как отработанный пар с другой стороны цилиндра выходит в атмосферу или в конденсатор. Это потребовало создания достаточно сложного механизма парораспределения. Принцип двойного действия повышает скорость работы машины и улучшает плавность хода.

Поршень такой паровой машины соединён со скользящим штоком, выходящим из цилиндра. К этому штоку крепится качающийся шатун, приводящий в движение кривошип маховика. Система парораспределения приводится в действие другим кривошипным механизмом. Механизм парораспределения может иметь функцию реверса для того, чтобы можно было менять направление вращения маховика машины.

Паровая машина двойного действия примерно вдвое мощнее обычной паровой машины, и кроме того, может работать с намного более легким маховиком. Это уменьшает вес и стоимость машин.

Большинство возвратно-поступательных паровых машин использует именно этот принцип работы, что хорошо видно на примере паровозов. Когда такая машина имеет два или более цилиндров, кривошипы устанавливаются со сдвигом в 90 градусов для того, чтобы гарантировать возможность запуска машины при любом положении поршней в цилиндрах. Некоторые колёсные пароходы имели одноцилиндровую паровую машину двойного действия, и на них приходилось следить, чтобы колесо не останавливалось в мёртвой точке, то есть в таком положении, при котором запуск машины невозможен.

Парораспределение

Индикаторная диаграмма, показывающая четырёхфазный цикл поршневой паровой машины двойного действия

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 дает 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.[5][6]

Сжатие

Выпускное окно цилиндра паровой машины перекрывается несколько раньше, чем поршень доходит до своего крайнего положения, что оставляет в цилиндре некоторое количество отработанного пара. Это означает, что в цикле работы присутствует фаза сжатия, формирующая так называемую «паровую подушку», замедляющую движение поршня в его крайних положениях. Кроме того, это устраняет резкий перепад давления в самом начале фазы впуска, когда в цилиндр поступает свежий пар.

Опережение

Описанный эффект «паровой подушки» усиливается также тем, что впуск свежего пара в цилиндр начинается несколько раньше, чем поршень достигнет крайнего положения, то есть присутствует некоторое опережение впуска. Это опережение необходимо для того, чтобы перед тем, как поршень начнёт свой рабочий ход под действием свежего пара, пар успел бы заполнить то мёртвое пространство, которое возникло в результате предыдущей фазы, то есть каналы впуска-выпуска и неиспользуемый для движения поршня объем цилиндра.[7]

Простое расширение

Простое расширение предполагает, что пар работает только при расширении его в цилиндре, а отработанный пар выпускается напрямую в атмосферу или поступает в специальный конденсатор. Остаточное тепло пара при этом может быть использовано, например, для обогрева помещения или транспортного средства, а также для предварительного подогрева воды, поступающей в котёл.

Компаунд

В процессе расширения в цилиндре машины высокого давления температура пара падает пропорционально его расширению. Поскольку теплового обмена при этом не происходит (адиабатический процесс), получается, что пар поступает в цилиндр с большей температурой, чем выходит из него. Подобные перепады температуры в цилиндре приводят к снижению эффективности процесса.

Один из методов борьбы с этим перепадом температур был предложен в 1804 году английским инженером Артуром Вульфом, который запатентовал Компаундную паровую машину высокого давления Вульфа. В этой машине высокотемпературный пар из парового котла поступал в цилиндр высокого давления, а после этого отработанный в нем пар с более низкой температурой и давлением поступал в цилиндр (или цилиндры) низкого давления. Это уменьшало перепад температуры в каждом цилиндре, что в целом снижало температурные потери и улучшало общий коэффициент полезного действия паровой машины. Пар низкого давления имел больший объём, и поэтому требовал большего объёма цилиндра. Поэтому в компаудных машинах цилиндры низкого давления имели больший диаметр (а иногда и большую длину) чем цилиндры высокого давления.

Такая схема также известна под названием «двойное расширение», поскольку расширение пара происходит в две стадии. Иногда один цилиндр высокого давления был связан с двумя цилиндрами низкого давления, что давало три приблизительно одинаковых по размеру цилиндра. Такую схему было легче сбалансировать.

Двухцилиндровые компаундные машины могут быть классифицированы как:

  • Перекрёстный компаунд - Цилиндры расположены рядом, их паропроводящие каналы перекрещены.
  • Тандемный компаунд - Цилиндры располагаются последовательно, и используют один шток.
  • Угловой компаунд - Цилиндры расположены под углом друг к другу, обычно 90 градусов, и работают на один кривошип.

После 1880-х годов компаундные паровые машины получили широкое распространение на производстве и транспорте и стали практически единственным типом, используемым на пароходах. Использование их на паровозах не получило такого широкого распространения, поскольку они оказались слишком сложными, частично из-за того, что сложными были условия работы паровых машин на железнодорожном транспорте. Несмотря на то, что компаундные паровозы так и не стали массовым явлением (особенно в Великобритании, где они были очень мало распространены и вообще не использовались после 1930-х годов), они получили определённую популярность в нескольких странах.[8]

Множественное расширение

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

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

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

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

Прямоточные паровые машины

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

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

Паровые турбины

Паровая турбина представляет собой серию вращающихся дисков, закрепленных на единой оси, называемых ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закрепленных на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в нее подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии. Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения).

Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания.

Основной сферой применения паровых турбин является выработка электроэнергии (около 86% мирового производства электроэнергии производится паровыми турбинами), кроме того, они часто используются в качестве судовых двигателей (в том числе на атомных кораблях и подводных лодках). Было также построено некоторое количество паротурбовозов, но они не получили широкого распространения и были быстро вытеснены тепловозами и электровозами.

Другие типы паровых двигателей

Применение

Паровые машины могут быть классифицированы по их применению следующим образом:

Стационарные машины

Паровой молот

Паровая машина на старой сахарной фабрике, Куба

Стационарные паровые машины могут быть разделены на два типа по режиму использования:

  • Машины с переменным режимом, к которым относятся машины металлопрокатных станов, паровые лебёдки и подобные устройства, которые должны часто останавливаться и менять направление вращения.
  • Силовые машины, которые редко останавливаются и не должны менять направление вращения. Они включают энергетические двигатели на электростанциях, а также промышленные двигатели, использовавшиеся на заводах, фабриках и на кабельных железных дорогах до широкого распространения электрической тяги. Двигатели малой мощности используются на судовых моделях и в специальных устройствах.

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

Транспортные машины

Паровоз

Паровые машины использовались для привода различных типов транспортных средств, среди них:

  • Пароход
  • Сухопутные транспортные средства:
  • Паровой самолёт.

В России первый действующий паровоз был построен Е. А. и М. Е. Черепановыми на Нижне-Тагильском заводе в 1834 году для перевозки руды. Он развивал скорость 13 вёрст в час и перевозил более 200 пудов (3,2 тонны) груза. Длина первой железной дороги составляла 850 м.

Преимущества паровых машин

Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового Океана на разных глубинах.

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

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

В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) 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.

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
Wout — механическая работа, Дж;
Qin — 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 T1 в начале цикла (достигаемая, например, с помощью пароперегрева) и как можно более низкая температура T2 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.

У паровых машин очень важным свойством является то, что изотермическое расширение и сжатие происходят при постоянном давлении. Поэтому теплообменник может иметь любой размер, а перепад температур между рабочим телом и охладителем или нагревателем составляют чуть ли не 1 градус. В результате тепловые потери могут быть сведены к минимуму. Для сравнения, перепады температур между нагревателем или охладителем и рабочим телом в стирлингах может достигать 100°С.

Нетрадиционные машины

На 4-м канале Британского телевидения с 1998 года проводится реалити-шоу "Scrapheap Challenge" ("Вызов со свалки"), в котором друг против друга выступают две команды из трёх постоянных участников и одного специалиста. Командам даётся 10 часов для постройки заданной машины из частей, которые они находят на свалке металлолома, а затем устраиваются гонки. В 2007 году команды британских и американских инженеров строили колёсный пароход в духе Брюнеля. При этом британская команда использовала для управления паровой машиной электрическую систему с микровыключателями и соленоидными клапанами. Их пароход набрал скорость, близкую к дизельной лодке американской команды.

См. также

История паровых машин

Россия
Великобритания

Примечания

  1. Таги-аль-Дин(англ.)
  2. Джованни Бранка(англ.)
  3. Эдвард Сомерсет(англ.)
  4. Hulse David K (1999): "The early development of the steam engine"; TEE Publishing, Leamington Spa, UK, ISBN, 85761 107 1(англ.)
  5. Riemsdijk, John van: (1994) Compound Locomotives, pp. 2-3; Atlantic Publishers Penrhyn, England. ISBN No 0 906899 61 3(англ.)
  6. Carpenter, George W. & contributors (2000): La locomotive à vapeur: pp. 56-72; 120 et seq; Camden Miniature Steam Services, UK. ISBN 0 9536523 0 0(фр.)
  7. A.M. Bell Locomotives. — London: Virtue and Company. — С. pp61-63.(англ.)
  8. Riemsdijk, John van: (1994) Compound Locomotives, Atlantic Publishers Penrhyn, England. ISBN No 0 906899 61 3 (англ.)

Литература

  • Паровые машины. История, описание и приложение их. 1838 г., СПб.: тип.Эдуарда Праца и Ко. — 234 с.
  • Брандт А. А. Очерк истории паровой машины и применения паровых двигателей в России, СПб., 1892.
  • Тонков Р. Р. К истории паровых машин в России. — «Горный журнал», № 6, 1902 г.
  • Лебедев В. И. Занимательная техника в прошлом. Ленинград: "Время", 1933 г. — 198 с.
  • Люди русской науки: Очерки о выдающихся деятелях естествознания и техники / Под ред. С.И. Вавилова. — М., Л.: Гос. изд-во техн.-теоретической лит-ры, 1948 г.
  • Конфедератов И. Я. Иван Иванович Ползунов. — М. - Л.: Госэнергоиздат, 1954 г. — 296 с.

Внешние ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы

Автомобили с водородными двигателями называют главными конкурентами электрокаров. Но у технологии пока что немало минусов, и, например, основатель Tesla Илон Маск называет ее «тупой и бесполезной». Прав он или нет?

С 2018 года в ЕС действует запрет на дизельные автомобили новейшего поколения в населенных пунктах [1]. Это стало поворотным моментом в развитии рынка электрокаров, а также — гибридных и водородных двигателей.

Великобритания еще в 2017-м высказывалась за полный запрет бензиновых авто к 2040 году. Тогда же, если верить исследованию Bloomberg New Energy Finance [2], на электрокары будет приходиться 35% от всех продаж автомобилей. Уже к 2030 году Jaguar и Land Rover планируют довести число электрокаров в своих линейках до 100% [3]. Часть из них тоже работает на водороде.

История развития рынка водородных двигателей

Первый двигатель, работающий на водороде, придумал в 1806 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [4]. Он получал водород при помощи электролиза воды.

Первый патент на водородный двигатель выдали в Великобритании в 1841 году [5]. В 1852 году в Германии построили двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который работал на воздушно-водородной смеси. Еще через 11 лет французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал гиппомобиль [6], первые версии которого работали на водороде.

В 1933 году норвежская нефтегазовая и металлургическая компания Norsk Hydro Power переоборудовала [7] один из своих небольших грузовиков для работы на водороде. Химический элемент выделялся за счет риформинга аммиака и поступал в ДВС.

В Ленинграде в период блокады на воздушно-водородной смеси работали около 600 аэростатов. Такое решение предложил военный техник Борис Шепелиц, чтобы решить проблему нехватки бензина. Он же переоборудовал 200 грузовиков ГАЗ-АА для работы на водороде.

Первый транспорт на водороде выпустила в 1959 году американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company — это был трактор [8].

Первым автомобилем на водородных топливных элементах стал Electrovan от General Motors 1966 года. Он был оборудован резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одном заряде. Однако это был единичный демонстрационный экземпляр, который передвигался только по территории завода.

В 1979-м появился первый автомобиль BMW с водородным двигателем. Толчком к его созданию послужили нефтяные кризисы 1970-х, и по их окончании об идее альтернативных двигателей забыли вплоть до 2000-х годов.

В 2007 году та же BMW выпустила ограниченную серию автомобилей Hydrogen 7, которые могли работать как на бензине, так и на водороде. Но машина была недешевой, при этом 8-килограммового баллона с газом хватало всего на 200-250 км.

Первой серийной моделью автомобиля с водородным двигателем стала Toyota Mirai, выпущенная в 2014 году. Сегодня такие модели есть в линейках многих крупных автопроизводителей: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford и других.

Toyota Mirai 2016 года выпуска

Как работает водородный двигатель?

На специальных заправках топливный бак заправляют сжатым водородом. Он поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника.

Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.

Схема работы водородного двигателя

По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.

Как работает водородный двигатель внутри Toyota Mirai

Где применяют водородное топливо?

  • В автомобилях с водородными и гибридными двигателями. Такие уже выпускают Toyota, Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford, Nissan, Daimler;
  • В поездах. Первый такой был выпущен в Германии компанией Alstom и ходит по маршруту Букстехуде — Куксхафен;
  • В автобусах: например, в городских низкопольных автобусах марки MAN.
  • В самолетах. Первый беспилотник на водороде выпустила компания Boeing, внутри — водородный двигатель Ford;
  • На водном транспорте. Siemens выпускает подводные лодки на водороде, а в Исландии планируют перевести на водородное топливо все рыболовецкие суда;
  • Во вспомогательном транспорте. Водород используют в электрокарах для гольфа, складских погрузчиках, сервисных автомобилях логистических компаний и аэропортов;
  • В энергетике. Электростанции мощностью от 1 до 5 кВт, работающие на водороде, могут обеспечивать теплом и энергией небольшие города и отдельные здания. Например, после аварии на Фукусиме в 2018 году Япония активнее начала переходить на водородную энергетику [9], планируя перевести на водород 1,4 млн электрогенераторов;
  • В смесях с обычным топливом. Например, с дизельным или газовым — чтобы удешевить производство.

Плюсы водородного двигателя

  • Экологичность при использовании. Водородный транспорт не выбрасывает в атмосферу диоксид углерода;
  • Высокий КПД. У двигателя внутреннего сгорания (ДВС) он составляет около 35%, а у водородного — от 45%. Водородный автомобиль сможет проехать на 1 кг водорода в 2,5-3 раза больше, чем на эквивалентном ему по энергоемкости и объему галлоне (3,8 л) бензина;
  • Бесшумная работа двигателя;
  • Более быстрая заправка — особенно в сравнении с электрокарами;
  • Сокращение зависимости от углеводородов. Водородным двигателям не нужна нефть, запасы которой не бесконечны и к тому же сосредоточены в нескольких странах. Это позволяет нефтяным государствам диктовать цены на рынке, что невыгодно для развитых экономик.

Минусы водородного двигателя

  • Высокая стоимость. Галлон бензина в США стоит около $3,1 [10], а эквивалентный ему 1 кг водорода — $8,6. Водородные батареи содержат платину — один из самых дорогих металлов в мире. Дополнительные меры безопасности также делают двигатель дорогим: в частности, специальные системы хранения и баки из углепластика, чтобы избежать взрыва.
  • Проблемы с инфраструктурой. Для заправки водородом нужны специальные станции, которые стоят дороже, чем обычные.
  • Не самое экологичное производство. До 95% сырья для водородного топлива получают из ископаемых [11]. Кроме того, при создании топлива используют паровой риформинг метана, для которого нужны углеводороды. Так что и здесь возникает зависимость от природных ресурсов.
  • Высокий риск. Для использования в двигателях водород сжимают в 850 раз [12], из-за чего давление газа достигает 700 атмосфер. В сочетании с высокой температурой это повышает риск самовоспламенения.

Водород обладает высокой летучестью, проникает даже в небольшие щели и легко воспламеняется. Если он заполнит собой весь капот и салон автомобиля, малейшая искра вызовет пожар или взрыв. Так, в июне 2019 года утечка водорода привела к взрыву на заправке в Норвегии. Сила ударной волны была сопоставима с землетрясением в радиусе 28 км. После этого случая водородные АЗС в Норвегии запретили

Водород для топлива можно получать разными способами. В зависимости от того, насколько они безвредны, итоговый продукт называют [13] «желтым» или «зеленым». Желтый водород — тот, для которого нужна атомная энергия. Зеленый — тот, для которого используют возобновляемые ресурсы. Именно на этот водород делают ставку международные организации.

Самый безвредный способ — электролиз, то есть, извлечение водорода из воды при помощи электрического тока. Пока что он не такой выгодный, как остальные (например, паровая конверсия метана и природного газа). Но проблему можно решить, если сделать цепочку замкнутой — пускать электричество, которое выделяется в водородных топливных элементах для получения нового водорода.

Водородный транспорт в России

В России в 2014 году появился свой производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компания специализируется на аккумуляторных системах для дронов, в том числе военных. Именно ее топливные ячейки использовали для беспилотников, которые снимали Олимпиаду-2014 в Сочи.

В 2019 году Россия подписала Парижское соглашение по климату, которое подразумевает постепенный переход стран на экологичные виды топлива.

Чуть позже «Газпром» и «Росатом» подготовили совместную программу развития водородной технологии на десять лет.

Главный фактор, который может обеспечить России преимущество на рынке водорода — это богатые запасы пресной воды [14] за счет внутренних водоемов, тающих ледников Арктики и снегов Сибири. Вблизи последних уже есть добывающая инфраструктура от «Роснефти», «Газпрома» и «Новатэка».

В конце 2020 года власти Санкт-Петербурга анонсировали [15] запуск каршеринга на водородном топливе совместно с Hyundai. В случае успеха проект расширят и на другие крупные города России.

Перспективы технологии

Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал [16], что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.

Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» [17], которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.

С одной стороны, в Европе Toyota Mirai II стоит несколько дешевле, чем Tesla Model S (€64 тыс. против €77 тыс.) [18]. Полная зарядка водородного автомобиля занимает около 3 минут — против 30-75 минут для электрокара. Однако вся разница — в обслуживании: Toyota Mirai вмещает 5 кг водородного топлива [19] по цене $8-9 за кг. Таким образом, полный бак обойдется в $45, и его хватит на 500 км — получаем около $9 за 100 км пробега. Для Tesla Model S те же 100 км обойдутся всего в $3.

Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.

Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.

Основной упрек критиков — дороговизна водородного топлива и логистики. Однако Международное энергетическое агентство прогнозирует, что цена водорода к 2030 году упадет минимум на 30% [20]. Это сделает водородное топливо сопоставимым по цене с другими видами [21].

Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:

  1. Лобби со стороны развитых государств: в США [22], ЕС [23], Японии [24], России [25] и других странах приняты законы в поддержку экологичного транспорта.
  2. Удешевление аккумуляторов: согласно исследованию Bloomberg New Energy Finance, за последние десять лет цены на литий-ионные аккумуляторы упали с $1200 до $137 за кВт·ч.
  3. Развитие инфраструктуры: специальные электрозарядные станции и зарядки в крупных бизнес-центрах, на парковках ТЦ и аэропортов.

Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы [26] для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных [27] и на 20% больше, чем гибридные.

Согласно прогнозу Markets&Markets [28], к 2022 году объем мирового производства водорода вырастет со $115 до $154 млрд. Остается главный вопрос: как быть с инфраструктурой? Чтобы водородные двигатели стали массовыми, нужны сети заправок, трубопроводы для топлива, отлаженные логистические цепочки. Все это пока только зарождается. Но и тут есть позитивные сдвиги: например, канадская Ballard Power по заказу китайского Министерства транспорта запустила пилотный проект, в рамках которого водородное топливо можно будет заливать в обычные АЗС.

Принцип работы ТЭЦ

Чтобы газ лучше горел, в котлах установлены тягодутьевые механизмы. В котел подается воздух, который служит окислителем в процессе сгорания газа. Для снижения уровня шума механизмы снабжены шумоглушителями. Образовавшиеся при горении топлива дымовые газы отводятся в дымовую трубу и рассеиваются в атмосфере.

Раскаленный газ устремляется по газоходу и нагревает воду, проходящую по специальным трубкам котла. При нагревании вода превращается в перегретый пар, который поступает в паровую турбину. Пар поступает внутрь турбины и начинает вращать лопатки турбины, которые связаны с ротором генератора. Энергия пара превращается в механическую энергию. В генераторе механическая энергия переходит в электрическую, ротор продолжает вращаться, создавая в обмотках статора переменный электрический ток.

Через повышающий трансформатор и понижающую трансформаторную подстанцию электроэнергия по линиям электропередач поступает потребителям. Отработавший в турбине пар направляется в конденсатор, где превращается в воду и возвращается в котел. На ТЭЦ вода движется по кругу. Градирни предназначены для охлаждения воды. На ТЭЦ используются вентиляторные и башенные градирни. Вода в градирнях охлаждается атмосферным воздухом. В результате выделяется пар, который мы и видим над градирней в виде облаков. Вода в градирнях под напором поднимается вверх и водопадом падает вниз в аванкамеру, откуда поступает обратно на ТЭЦ. Для снижения капельного уноса градирни оснащены водоуловителями.

Водоснабжение осуществляется от Москвы-реки. В здании химводоочистки вода очищается от механических примесей и поступает на группы фильтров. На одних она подготавливается до уровня очищенной воды для подпитки теплосети, на других — до уровня обессоленной воды и идет на подпитку энергоблоков.

Цикл, используемый для горячего водоснабжения и теплофикации, также замкнутый. Часть пара из паровой турбины направляется в водонагреватели. Далее горячая вода направляется в тепловые пункты, где происходит теплообмен с водой, поступающей из домов.

Высококлассные специалисты «Мосэнерго» круглосуточно поддерживают процесс производства, обеспечивая огромный мегаполис электроэнергией и теплом.

Как работает парогазовый энергоблок


Паровая машина – в старом двигателе - Энергетика и промышленность России - № 15-16 (131-132) август 2009 года - WWW.EPRUSSIA.RU

Газета "Энергетика и промышленность России" | № 15-16 (131-132) август 2009 года

Со старыми автомобилями-пенсионерами церемониться нынче не принято. Можно завести в лес подальше от дома и бросить на «съедение» микроорганизмам. Если повезет, то в утиль, на переплавку. Что касается кузова и прочих частей, может быть, лучшей участи они уже и не достойны. А вот с ДВС не горячитесь – он вам еще послужит.

Проблема энергообеспечения знакома многим. Особенно в сельской местности, в деревнях, в отдаленных районах, где напряжение в сети, если оно вообще есть, редко поднимается чуть выше 150 В, а то и вовсе пропадает, измученное наледями и ветрами, изношенными сетями, трансформаторами, гнилыми опорами и пр. При таком скудном питании не работает или быстро ломается бытовая техника, становятся неэффективными обогреватели, а с компьютером и вовсе беда.

Выход, конечно, есть – мобильные генераторы, работающие на бензине или солярке. Только дорого это обходится: и сам агрегат, и особенно топливо.

Когда‑то, на старте, ДВС стремительно обогнал паровую машину по нескольким важным параметрам. Экономичность, компактность, быстрый запуск заставили автомобилистов мириться с дороговизной горючего. Чтобы уменьшить шумность, пришлось разработать изощренные системы глушения. Крайне невыгодные тяговые характеристики ДВС обернулись применением дорогих и тяжелых коробок передач и трансмиссий. И тем не менее…

Последний (к сожалению) паромобиль американской фирмы «Добл», выпущенный в 30‑х годах прошлого века, обладал удивительными характеристиками. Плавно поворачивая дроссельный клапан, водитель мог так мягко регулировать скорость, что пассажиры не замечали ускорения и торможения. Но можно было ускорить автомобиль настолько резко, что рвались шины. Тот же диапазон регулирования скорости полностью сохранялся и на заднем ходу. Причем лишь прикосновения к педалям было достаточно для переключения с полного переднего на полный задний.

Такие поразительные свойства паромобиля получаются автоматически, как следствие чрезвычайно выгодных тяговых характеристик паровой машины, способной на малых оборотах создавать большой крутящий момент на колесах.

И хотя паровик пока по‑преж­нему остается на задворках технического прогресса, именно эти качества возбуждают растущий интерес и просто поклонников, и изобретателей. Свидетельство тому – появление новых патентов в области паровой техники. Сообщается, например, о разработке американского изобретателя Вильямса. На его паромобиле нет ни сцепления, ни коробки передач, ни стартера. Простого поворота клапана достаточно, чтобы за 10 с ускорить экипаж до 100 км/ч. Мощность парового двигателя 230 л.с. при 4800 об/мин. Максимальная скорость 280 км/ч. Всего 50 л воды хватает на 1500 километров пробега.

Российскому изобретателю Николаю Егину удалось свести в одном агрегате обе концепции: паровик и ДВС. Оказалось, что любой ДВС надежно работает от подходящего парогенератора. Для этого достаточно сделать нехитрое золотниковое устройство подачи пара в цилиндры – и пожалуйста, снимай мощность с коленчатого вала. Можно напрямую или более универсальным способом – с помощью электрогенератора.

В новой роли прекрасно чувствует себя даже очень потрепанный ДВС. Дело в том, что скорость вращения двигателя теперь составляет всего 1000 об/мин. Сравните с 5‑6 тысячами у двигателей современных автомобилей. Но не только умеренные обороты причина феноменальной надежности паровой установки. Температура в цилиндрах машины в 5‑6 раз ниже, чем в ДВС. Пар, в отличие от горючей смеси, не взрывается, не разрушает поршень, а, расширяясь, мягко давит на него. Отсюда и плавность хода, и невысокие требования к материалам и допускам.

В новой концепции Н. Егин в качестве парогенератора использует другое свое важное изобретение – тепловые термохимические установки (ТХУ). Основа этих установок – добротный чугунный паровой котел, которому нет износа. Такие котлы по‑прежнему делают в России. Отслуживших свое ДВС тоже хватает: мотоциклы, «москвичи», «волги», «жигули», локомотивы и судовые дизели. Модельный ряд старых ДВС перекрывает все разумные потребности: от 1 кВт для садового домика до 2 МВт, дающих тепло и электроэнергию целому поселку. Такие большие мощности можно получить, если к котлу ТХУ с рабочим давлением 7‑9 атм подключить турбину российского производства, например радиального типа. В ней высочайшая надежность (60 тысяч часов до ремонта) сочетается с ценой на порядок более низкой, чем у зарубежных аналогов. Идея вернуть в строй колоссальный ресурс старых ДВС выглядит поистине революционной. До этого не додумались даже на родине парового двигателя, где членами клубов многочисленных любителей и поклонников паровика являются даже лорды.

В паровую машину можно превратить не только автомобильный двигатель, но и мощный дизель, отработавший свой век на производстве, сэкономив тем самым тонны солярки. А в глухой глубинке, куда топливо можно доставить только на вертолете, это настоящее спасение.

Самыми существенными недостатками паровой тяги считаются большой вес и малая экономичность. Естественно, она становится выгоднее на мощностях порядка 800 л.с, когда теплоту отработанного пара можно использовать для отопления или технологических нужд. Именно такие требования предъявляют к тягачам и вездеходам на Крайнем Севере. А тандем ДВС и ТХУ (напомним, это тепловые термохимические установки «ЭРА») максимально расширяет модельный ряд и уже реально вписывается в габариты современного автомобиля.

Что же касается экономичности, паровая машина с ее низкими температурами пара не может сравниться с ДВС по расходу топлива на километр пути. Зато котел можно топить хоть торфом, хоть соломой, а «ЭРА» и вовсе будет рада и пластику, и старым калошам.

По подсчетам изобретателя, расходы на перевод ДВС в режим паровой машины окупятся за полгода. Вам обеспечены лет на 20‑25 источник тока мощностью 1‑25 кВт и чистота вокруг. Свалки могут превратиться в стратегический энергоресурс.

Уже есть фирма, конструирующая на заказ такие «паровозы», но это капля в море. Н. Егин полагает, что от деклараций и бесконечных экспериментов с нетрадиционными источниками энергии в России надо переходить к экспертной технической и экономической их оценке в целых отраслях, например в ЖКХ, и приступать к планомерному внедрению.

Как работают паровые машины?

Представьте, что вы живете только за счет угля и вода и все еще достаточно энергии бежать со скоростью более 100 миль в час! Именно на это способен паровоз. Хотя эти гигантские механические динозавры теперь вымерли из большинства железных дорог мира, паровые технологии живут в сердцах людей и Подобные локомотивы до сих пор используются как туристические достопримечательности по многим историческим местам. железнодорожные пути.

Паровозы приводились в движение паровыми двигателями и заслуживают того, чтобы быть запомнили, потому что они охватили мир через промышленные Революция 18-19 веков. Паровые двигатели занимают место в рейтинге машины, самолеты, телефоны, радио и телевидение среди величайших изобретений всех времен. Это чудеса техники и превосходные примеры инженерной мысли, но под всем этим дымом и паром, как именно они работают?

На фото: паровоз, работающий на железной дороге Твитси в Северной Каролине.Это узкоколейный поезд, а значит, колея не такая широкая, как на обычной железной дороге. Узкие дорожки часто используются в горных районах и на другой труднопроходимой местности, потому что их строительство, как правило, дешевле. Предоставлено: фотографии из американского проекта Кэрол М. Хайсмит в архиве Кэрол М. Хайсмит, Библиотека Конгресса, Отдел эстампов и фотографий.

Что приводит в действие паровой двигатель?

Чтобы сделать что угодно, требуется энергия вы можете придумать - кататься на скейтборде, чтобы летать на самолете, дойти до магазинов или проехать на машине по улица.Большая часть энергии, которую мы сегодня используем для транспорта, поступает от масло, но так было не всегда. До начала 20 века уголь был любимое топливо в мире, и оно питало все, от поездов и кораблей к злополучным паровым самолетам, изобретенным американским ученым Сэмюэл П. Лэнгли, ранний соперник братьев Райт. Что было так особенного об угле? Внутри Земли его много, так что это было относительно недорогой и широко доступный.

Уголь - это органическое химическое вещество, что означает это основано на элементе углерод.Уголь образуется за миллионы лет, когда останки мертвых растения погребаются под камнями, сдавливаются давлением, и приготовленные внутренним теплом Земли. Вот почему это называется ископаемым топливом. Глыбы угля - это действительно глыбы энергия. Углерод внутри них связан с атомами водорода и кислород через суставы, называемые химическими связями. Когда мы сжигаем уголь в огне, связи разрываются, и энергия выделяется в виде тепла.

Уголь содержит примерно половину энергии на килограмм, чем более чистые ископаемые виды топлива, такие как бензин, дизельное топливо и керосин, - и это одна из причин, по которой паровые двигатели должны сжигать его так много.

Фото: Основные части паровоза. Щелкните маленькую фотографию, чтобы увидеть ее намного больше. Это бывший танковый локомотив 4MT стандарта British Railways номер 80104 (построен в Брайтоне в 1955 году). работал на железной дороге Суонедж, Англия, в августе 2008 года. Прочтите, как его восстановили из ржавой кучи и вернули в строй. его владельцы, Южные Локомотивы, в 80104 Реставрация.

Что такое паровая машина?

Паровая машина - это машина, сжигающая уголь для выделения тепла. энергия, которую он содержит - так что это пример того, что мы называем тепловым двигателем.Это немного похоже на гигантский чайник, стоящий на угольном костре. Тепло от огня кипятит воду в чайнике и превращает ее в пар. Но вместо того, чтобы бесполезно взорвать воздух, как пар из чайника, пар улавливается и используется для питания машина. Давайте узнаем как!

Как работает паровая машина

Грубо говоря, паровой двигатель состоит из четырех различных частей:

  1. Пожар, в котором горит уголь.
  2. Котел, наполненный водой, которую огонь нагревает для образования пара.
  3. Цилиндр и поршень, скорее как велосипедный насос, но очень больше. Пар из котла направляется в цилиндр, в результате чего поршень двигается сначала в одну сторону, затем в другую. Это движение внутрь и наружу (который также известен как "возвратно-поступательное движение") используется для привода ...
  4. Станок, прикрепленный к поршню. Это может быть что угодно из водяной насос к заводской машине ... или даже гигантскому паровозу бегает вверх и вниз по железной дороге.

Конечно, это очень упрощенное описание.На самом деле в даже самый маленький паровоз.

Пошаговая инструкция

Проще всего увидеть, как все работает, в нашей маленькой анимации. паровоза, внизу. Внутри кабины локомотива загружаешь уголь в топку (1), что вполне буквально металлический ящик содержащий ревущий угольный огонь. Огонь нагревает котел - «великан чайник »внутри локомотива.

Котел (2) в паровозе не очень похоже чайник, который вы бы использовали, чтобы заварить чашку чая, но он работает таким же образом производят пар под высоким давлением.Котел представляет собой большую емкость с водой с десятками тонких металлических трубок. Бег через него (для простоты мы показываем здесь только один, окрашенный в оранжевый цвет). Трубы идут от топки к дымоходу, неся тепло и дым огня с ними (показаны белыми точками внутри трубки). Такое расположение котельных труб, как их называют, означает двигатель огонь может нагреть воду в баке котла намного быстрее, поэтому он производит пар быстрее и эффективнее. Вода, создающая пар, либо поступает из цистерн, установленных сбоку от локомотива, или из отдельного вагона, называемого тендером, тянущегося за локомотивом. локомотив.(В тендер также включена локомотивная поставка угля.) Вы можете увидеть фото тендера с изображением резервуара для воды ниже на этой странице.

Пар, образующийся в котле, стекает в цилиндр (3) прямо перед колесами, толкая плотно прилегающий плунжер, поршень (4), вперед и назад. Небольшой механический затвор в цилиндре, известный как впускной клапан (показан оранжевым) пропускает пар. Поршень подсоединен к одному или больше колес локомотива через своего рода руку-локоть-плечо соединение, называемое кривошипом и шатуном (5).

По мере того, как поршень толкает, кривошип и шатун поворачивают колеса локомотива и привести поезд в движение (6). Когда поршень достигает конца цилиндра, он не может толкать дальше. Инерция поезда (тенденция продолжать движение) несет в себе поверните рукоятку вперед, проталкивая поршень обратно в цилиндр. Оно пришло. Клапан впуска пара закрывается. Выпускной клапан открывается, и поршень выталкивает пар обратно через цилиндр и вверх дымовая труба локомотива (7). Прерывистый шум, который паровой двигатель производит, и его прерывистые клубы дыма случаются, когда поршень движется вперед и назад в цилиндре.

По цилиндрам с каждой стороны локомотива и два цилиндра. стрелять немного не в ногу друг с другом, чтобы всегда было что-то мощность толкает двигатель вперед.

Типы паровых машин

Фото: Крупный план поршня и цилиндра паровой машины.

На приведенной выше диаграмме показан очень простой одноцилиндровый паровой двигатель, приводящий в действие паровоз по рельсам. Это называется роторным Стим двигатель, потому что работа поршня - заставить колесо вращаться.В первые паровые машины работали совершенно иначе. Вместо того вращая колесо, поршень толкал балку вверх и вниз простым возвратно-поступательное или возвратно-поступательное движение. Возвратно-поступательный пар двигатели использовались для откачки воды из затопленных угольных шахт в начале 18-ый век.

На нашей диаграмме показан пар, толкающий поршень в одну сторону, а импульс локомотива, едущего в другую сторону. Это называется односторонним действием. паровой двигатель, и это довольно неэффективная конструкция, потому что поршень работает только половину времени.Намного лучше (хотя и немного больше сложная) конструкция использует дополнительные паровые трубы и клапаны для подачи пара поршень сначала в одну сторону, а затем в другую. Это называется двойным действием. (или противоточный) паровой двигатель. Он более мощный, потому что пар движет поршень по всей длине. время. Если вы внимательно посмотрите на колеса типичного парового двигателя, вы видите, что все сложнее, чем мы видели в простой анимации выше: машин гораздо больше, чем просто кривошип и шатун.Фактически, есть сложная коллекция блестящих рычагов, скользящих вперед и назад с тщательной точность. Это называется клапанной передачей. Его работа открывать и закрывать клапаны баллона в нужный момент, чтобы позволить пар поступает с обоих концов, чтобы двигатель работал как можно эффективнее и мощнее, и чтобы он мог ехать задним ходом. Есть довольно много разных типов клапанный редуктор; один из наиболее распространенных дизайнов называется Walschaerts, названный в честь его бельгийский изобретатель Эгиде Вальшартс (1820–1901).Танковый двигатель 80104 На втором фото на этой странице изображен клапанный механизм типа Walschaerts, как и Эддистон, локомотив, изображенный ниже.

Фото: Механизм клапана Walschaerts на типичном большом паровозе, 34028 Эддистоун.

Первые паровые машины были очень большими и неэффективными, что означало потребовалось огромное количество угля, чтобы заставить их что-либо делать. Более поздние двигатели производил пар при гораздо более высоком давлении: пар производился в котел меньше, намного сильнее, поэтому он выдавливается с большей силой и задул поршень сильнее.Дополнительная сила высокого давления Стим двигатели позволили инженерам сделать их легче и компактнее, и это открыло путь для паровозов, пароходов, и паровые машины.

Фото: Паровозы не могли нести всю воду они нужны были для дальнего путешествия. Периодически им приходилось останавливаться для пополнения в железнодорожные цистерны с водой, подобные этому (вверху) на железной дороге Суонедж. На более крупные двигатели были тендеры: грузовики, которые они тащили за собой, с запасами уголь (перед проведенной красной линией) и вода (за красной линией).Уголь опирается на угловой пластина внутри тендера, которая естественным образом наклоняется к отверстию спереди, где пожарный может легко перелопатить его в топку. Внизу: Как выглядит тендер внутри на этой необычной фотографии пустого тендера, сфотографировано немного сверху и сзади, сделано в Think Tank, музее науки в Бирмингеме, Англия. Этот тендер вмещает около 18000 литров (4000 британских галлонов) воды и принадлежит музейному локомотиву Бирмингема.

Неужели умер пар?

Уголь был дешевым и доступным топливом в период раннего промышленного развития. Революция, но изобретение бензинового двигателя (бензиновый двигатель) в середине 19 века ознаменовал новую эру: в 20-м веке нефть превзошла уголь как мировой фаворит. топливо.Паровые двигатели крайне неэффективны, тратя около 80–90 процентов. всей энергии, которую они производят из угля. Это означает, что они должны гореть огромное количество угля для производства полезного количества энергии.

Паровая машина настолько неэффективна, потому что огонь, сжигающий уголь, полностью отделить (и часто на некотором расстоянии от) вращающийся цилиндр тепловую энергию пара в механическую энергию, которая приводит в действие машина. Такая конструкция называется ДВС. потому что огонь и котел находятся вне цилиндра.Это неэффективно потому что энергия тратится впустую, поскольку тепло и пар уносятся от огня, через котел в цилиндр. Бензиновые и дизельные двигатели основаны на совершенно другой конструкции, называемой двигатель внутреннего сгорания. Бензин или дизельное топливо горит внутри цилиндра, а не за его пределами, и это делает двигатели внутреннего сгорания значительно более эффективны. (Подробнее о внутреннем и внешнем горении вы можете прочитать в нашем обзоре двигателей.) Нефть также имеет много других преимуществ: она чище угля, меньше производит загрязнение воздуха, и его намного легче транспортировать по трубам.

Во многом поэтому паровозы исчезли с наших железных дорог - тепловозы были в целом удобнее. Требуются часы, чтобы запустить паровой двигатель, прежде чем вы сможете его использовать; вы можете запустить дизельный двигатель менее чем за минуту. Паровые двигатели исчезли с заводов, когда электричество стал более удобным способом питания зданий. Кто хочет загружать уголь на фабрику каждый день, когда они могут просто щелкнуть переключателями, чтобы все заработало?

Иллюстрации: Лучше меньше, да лучше: Великобритания перешла с паровых двигателей на дизельные и электрические в 1960-е годы.Последние локомотивы были построены в 1956 году, а последний паровоз ходил в августе 1968 года. К 1968 году в эксплуатации находилось лишь около трети локомотивов по сравнению с 1962 годом, но перевозилось столько же грузов: дизель-электрическая железнодорожная система, по-видимому, была намного эффективнее. Источник: построено с использованием данных из книги "Эффективность британских железных дорог 1962–1968 гг." К. Д. Джонса, Journal of Transport Economics and Policy, Vol. 4, № 2 (май 1970 г.), стр. 162–170.

Но все не совсем так, как кажется.Пар и уголь никогда не делали исчезнуть - не совсем. Откуда берется электричество, которое мы используем? Было бы здорово, если бы все это происходило из возобновляемых источников энергии. (ветряные турбины, солнечные батареи и т. д.), но большая часть его по-прежнему поступает из угля, сгорел на электростанциях за много миль от наши дома и фабрики. Внутри угольной электростанции уголь все еще сжигается для производства пара, приводя в движение устройства, похожие на ветряные, называемые паровые турбины, которые намного эффективнее паровых двигателей. Когда они вращаются, они поворачиваются электромагнитные генераторы и производят электричество.Итак, видите, хотя паровозы исчезли из нашего железные дороги, паровая энергия жив и здоров - и так же важен, как никогда!

На фото: некоторые паровые машины, работающие на традиционных линиях. были еще относительно новыми, когда они были сняты с вооружения. Вот этот, Bulleid Pacific № 34070 "Манстон", был построен в 1947 году и снят менее чем через 20 лет (в 1964 году). После долгой реставрации Южными Локомотивами он вернулся в Служба на Swanage Railway в сентябре 2008 года.Чудесно впечатляющее зрелище, он весит 128 тонн и может развивать скорость более 160 км / ч (100 миль в час).

Кто изобрел паровой двигатель ... и когда?

Вот краткая история паровой энергии:

  • I век н. Э .: Герой Александрии демонстрирует паровую вращающуюся сферу, называемую эолипилом.
  • 16 век н. Э .: итальянский архитектор Джованни Бранка (1571–1640) использует струю пара для вращения лопастей небольшого колеса, предвосхищая паровую турбину, разработанную сэром Чарльзом Парсонсом в 1884 году.
  • 1680: голландский физик Христиан Гюйгенс (1629–1693) делает первый поршневой двигатель, используя простой цилиндр и поршень питается от взрывающегося пороха. Помощник Гюйгенса Денис Папин (1648 – c.1712) понимает, что пар - лучший способ управлять цилиндром и поршень.
  • 1698: Томас Савери (c.1650-1715) развивает паровой водяной насос под названием «Друг шахтера». Это просто поршневой паровой двигатель (или балочный двигатель) для откачки воды из мины.
  • 1712: англичанин Томас Ньюкомен (1663–1729) развивает намного лучшая конструкция парового водонасосного двигателя, чем Savery и обычно приписывают изобретение паровой машины.А Шотландский инженер по имени Джеймс Ватт (1736–1819) вычисляет гораздо более эффективный способ получения энергии из пара после улучшения модель двигателя Ньюкомена. Ватт усовершенствовал систему Ньюкомена. двигатель привел к широкому распространению пара.
  • 1770: офицер французской армии Николя-Жозеф Cugnot (1725–1804) изобретает паровой трехколесный трактор.
  • 1797: английский горный инженер Ричард Trevithick (1771–1833) разрабатывает паровую версию двигателя Ватта высокого давления, открывая путь для паровозов.
  • 1803: английский инженер Артур Вульф (1776–1837) делает паровая машина с более чем одним цилиндром.
  • 1804: американский промышленник Оливер Эванс (1775–1819) изобретает пассажирский автомобиль с паровым двигателем. Как и Тревитик, он признает важность пара высокого давления и создает больше, чем 50 паровых машин.
  • 1807: американский инженер Роберт Фултон (1765–1815) пробеги первое пароходное сообщение по реке Гудзон.
  • 1819: Океанский корабль с паровым двигателем «Саванна». пересекает Атлантика из Нью-Йорка в Ливерпуль всего за 27 дней.
  • 1825: английский инженер Джордж Стефенсон (1781–1848) строит первую в мире паровую железную дорогу между города Стоктон и Дарлингтон. Начнем с того, что паровозы тянут только тяжелые угольные грузовики, а пассажиров перегоняют в конных экипажах.
  • 1830: Ливерпульско-Манчестерская железная дорога первой в мире использует паровую силу. для перевозки пассажиров и грузов.
  • 1882: плодовитый американский изобретатель Томас Эдисон (1847–1931) открывает первую в мире коммерческую электростанцию ​​в Перле. Улица, Нью-Йорк.Он использует высокоскоростные паровые двигатели для приведения в действие генераторы электроэнергии.
  • 1884: английский инженер сэр Чарльз Парсонс (1854–1931) разрабатывает паровую турбину для своего скоростного парохода «Турбиния».

Фото: Подумайте о паровых двигателях, и вы, вероятно, подумаете о паровозах, но корабли тоже были на паровой тяге до того, как появились дизельные двигатели. Это прекрасно отреставрированный PS Waverley, последний в мире гребной пароход с веслами, построенный в 1947 году и прибывший на пирс Суонедж в сентябре 2009 года.

Как работают паровые машины?

Представьте, что вы живете только за счет угля и вода и все еще достаточно энергии бежать со скоростью более 100 миль в час! Именно на это способен паровоз. Хотя эти гигантские механические динозавры теперь вымерли из большинства железных дорог мира, паровые технологии живут в сердцах людей и Подобные локомотивы до сих пор используются как туристические достопримечательности по многим историческим местам. железнодорожные пути.

Паровозы приводились в движение паровыми двигателями и заслуживают того, чтобы быть запомнили, потому что они охватили мир через промышленные Революция 18-19 веков. Паровые двигатели занимают место в рейтинге машины, самолеты, телефоны, радио и телевидение среди величайших изобретений всех времен. Это чудеса техники и превосходные примеры инженерной мысли, но под всем этим дымом и паром, как именно они работают?

На фото: паровоз, работающий на железной дороге Твитси в Северной Каролине.Это узкоколейный поезд, а значит, колея не такая широкая, как на обычной железной дороге. Узкие дорожки часто используются в горных районах и на другой труднопроходимой местности, потому что их строительство, как правило, дешевле. Предоставлено: фотографии из американского проекта Кэрол М. Хайсмит в архиве Кэрол М. Хайсмит, Библиотека Конгресса, Отдел эстампов и фотографий.

Что приводит в действие паровой двигатель?

Чтобы сделать что угодно, требуется энергия вы можете придумать - кататься на скейтборде, чтобы летать на самолете, дойти до магазинов или проехать на машине по улица.Большая часть энергии, которую мы сегодня используем для транспорта, поступает от масло, но так было не всегда. До начала 20 века уголь был любимое топливо в мире, и оно питало все, от поездов и кораблей к злополучным паровым самолетам, изобретенным американским ученым Сэмюэл П. Лэнгли, ранний соперник братьев Райт. Что было так особенного об угле? Внутри Земли его много, так что это было относительно недорогой и широко доступный.

Уголь - это органическое химическое вещество, что означает это основано на элементе углерод.Уголь образуется за миллионы лет, когда останки мертвых растения погребаются под камнями, сдавливаются давлением, и приготовленные внутренним теплом Земли. Вот почему это называется ископаемым топливом. Глыбы угля - это действительно глыбы энергия. Углерод внутри них связан с атомами водорода и кислород через суставы, называемые химическими связями. Когда мы сжигаем уголь в огне, связи разрываются, и энергия выделяется в виде тепла.

Уголь содержит примерно половину энергии на килограмм, чем более чистые ископаемые виды топлива, такие как бензин, дизельное топливо и керосин, - и это одна из причин, по которой паровые двигатели должны сжигать его так много.

Фото: Основные части паровоза. Щелкните маленькую фотографию, чтобы увидеть ее намного больше. Это бывший танковый локомотив 4MT стандарта British Railways номер 80104 (построен в Брайтоне в 1955 году). работал на железной дороге Суонедж, Англия, в августе 2008 года. Прочтите, как его восстановили из ржавой кучи и вернули в строй. его владельцы, Южные Локомотивы, в 80104 Реставрация.

Что такое паровая машина?

Паровая машина - это машина, сжигающая уголь для выделения тепла. энергия, которую он содержит - так что это пример того, что мы называем тепловым двигателем.Это немного похоже на гигантский чайник, стоящий на угольном костре. Тепло от огня кипятит воду в чайнике и превращает ее в пар. Но вместо того, чтобы бесполезно взорвать воздух, как пар из чайника, пар улавливается и используется для питания машина. Давайте узнаем как!

Как работает паровая машина

Грубо говоря, паровой двигатель состоит из четырех различных частей:

  1. Пожар, в котором горит уголь.
  2. Котел, наполненный водой, которую огонь нагревает для образования пара.
  3. Цилиндр и поршень, скорее как велосипедный насос, но очень больше. Пар из котла направляется в цилиндр, в результате чего поршень двигается сначала в одну сторону, затем в другую. Это движение внутрь и наружу (который также известен как "возвратно-поступательное движение") используется для привода ...
  4. Станок, прикрепленный к поршню. Это может быть что угодно из водяной насос к заводской машине ... или даже гигантскому паровозу бегает вверх и вниз по железной дороге.

Конечно, это очень упрощенное описание.На самом деле в даже самый маленький паровоз.

Пошаговая инструкция

Проще всего увидеть, как все работает, в нашей маленькой анимации. паровоза, внизу. Внутри кабины локомотива загружаешь уголь в топку (1), что вполне буквально металлический ящик содержащий ревущий угольный огонь. Огонь нагревает котел - «великан чайник »внутри локомотива.

Котел (2) в паровозе не очень похоже чайник, который вы бы использовали, чтобы заварить чашку чая, но он работает таким же образом производят пар под высоким давлением.Котел представляет собой большую емкость с водой с десятками тонких металлических трубок. Бег через него (для простоты мы показываем здесь только один, окрашенный в оранжевый цвет). Трубы идут от топки к дымоходу, неся тепло и дым огня с ними (показаны белыми точками внутри трубки). Такое расположение котельных труб, как их называют, означает двигатель огонь может нагреть воду в баке котла намного быстрее, поэтому он производит пар быстрее и эффективнее. Вода, создающая пар, либо поступает из цистерн, установленных сбоку от локомотива, или из отдельного вагона, называемого тендером, тянущегося за локомотивом. локомотив.(В тендер также включена локомотивная поставка угля.) Вы можете увидеть фото тендера с изображением резервуара для воды ниже на этой странице.

Пар, образующийся в котле, стекает в цилиндр (3) прямо перед колесами, толкая плотно прилегающий плунжер, поршень (4), вперед и назад. Небольшой механический затвор в цилиндре, известный как впускной клапан (показан оранжевым) пропускает пар. Поршень подсоединен к одному или больше колес локомотива через своего рода руку-локоть-плечо соединение, называемое кривошипом и шатуном (5).

По мере того, как поршень толкает, кривошип и шатун поворачивают колеса локомотива и привести поезд в движение (6). Когда поршень достигает конца цилиндра, он не может толкать дальше. Инерция поезда (тенденция продолжать движение) несет в себе поверните рукоятку вперед, проталкивая поршень обратно в цилиндр. Оно пришло. Клапан впуска пара закрывается. Выпускной клапан открывается, и поршень выталкивает пар обратно через цилиндр и вверх дымовая труба локомотива (7). Прерывистый шум, который паровой двигатель производит, и его прерывистые клубы дыма случаются, когда поршень движется вперед и назад в цилиндре.

По цилиндрам с каждой стороны локомотива и два цилиндра. стрелять немного не в ногу друг с другом, чтобы всегда было что-то мощность толкает двигатель вперед.

Типы паровых машин

Фото: Крупный план поршня и цилиндра паровой машины.

На приведенной выше диаграмме показан очень простой одноцилиндровый паровой двигатель, приводящий в действие паровоз по рельсам. Это называется роторным Стим двигатель, потому что работа поршня - заставить колесо вращаться.В первые паровые машины работали совершенно иначе. Вместо того вращая колесо, поршень толкал балку вверх и вниз простым возвратно-поступательное или возвратно-поступательное движение. Возвратно-поступательный пар двигатели использовались для откачки воды из затопленных угольных шахт в начале 18-ый век.

На нашей диаграмме показан пар, толкающий поршень в одну сторону, а импульс локомотива, едущего в другую сторону. Это называется односторонним действием. паровой двигатель, и это довольно неэффективная конструкция, потому что поршень работает только половину времени.Намного лучше (хотя и немного больше сложная) конструкция использует дополнительные паровые трубы и клапаны для подачи пара поршень сначала в одну сторону, а затем в другую. Это называется двойным действием. (или противоточный) паровой двигатель. Он более мощный, потому что пар движет поршень по всей длине. время. Если вы внимательно посмотрите на колеса типичного парового двигателя, вы видите, что все сложнее, чем мы видели в простой анимации выше: машин гораздо больше, чем просто кривошип и шатун.Фактически, есть сложная коллекция блестящих рычагов, скользящих вперед и назад с тщательной точность. Это называется клапанной передачей. Его работа открывать и закрывать клапаны баллона в нужный момент, чтобы позволить пар поступает с обоих концов, чтобы двигатель работал как можно эффективнее и мощнее, и чтобы он мог ехать задним ходом. Есть довольно много разных типов клапанный редуктор; один из наиболее распространенных дизайнов называется Walschaerts, названный в честь его бельгийский изобретатель Эгиде Вальшартс (1820–1901).Танковый двигатель 80104 На втором фото на этой странице изображен клапанный механизм типа Walschaerts, как и Эддистон, локомотив, изображенный ниже.

Фото: Механизм клапана Walschaerts на типичном большом паровозе, 34028 Эддистоун.

Первые паровые машины были очень большими и неэффективными, что означало потребовалось огромное количество угля, чтобы заставить их что-либо делать. Более поздние двигатели производил пар при гораздо более высоком давлении: пар производился в котел меньше, намного сильнее, поэтому он выдавливается с большей силой и задул поршень сильнее.Дополнительная сила высокого давления Стим двигатели позволили инженерам сделать их легче и компактнее, и это открыло путь для паровозов, пароходов, и паровые машины.

Фото: Паровозы не могли нести всю воду они нужны были для дальнего путешествия. Периодически им приходилось останавливаться для пополнения в железнодорожные цистерны с водой, подобные этому (вверху) на железной дороге Суонедж. На более крупные двигатели были тендеры: грузовики, которые они тащили за собой, с запасами уголь (перед проведенной красной линией) и вода (за красной линией).Уголь опирается на угловой пластина внутри тендера, которая естественным образом наклоняется к отверстию спереди, где пожарный может легко перелопатить его в топку. Внизу: Как выглядит тендер внутри на этой необычной фотографии пустого тендера, сфотографировано немного сверху и сзади, сделано в Think Tank, музее науки в Бирмингеме, Англия. Этот тендер вмещает около 18000 литров (4000 британских галлонов) воды и принадлежит музейному локомотиву Бирмингема.

Неужели умер пар?

Уголь был дешевым и доступным топливом в период раннего промышленного развития. Революция, но изобретение бензинового двигателя (бензиновый двигатель) в середине 19 века ознаменовал новую эру: в 20-м веке нефть превзошла уголь как мировой фаворит. топливо.Паровые двигатели крайне неэффективны, тратя около 80–90 процентов. всей энергии, которую они производят из угля. Это означает, что они должны гореть огромное количество угля для производства полезного количества энергии.

Паровая машина настолько неэффективна, потому что огонь, сжигающий уголь, полностью отделить (и часто на некотором расстоянии от) вращающийся цилиндр тепловую энергию пара в механическую энергию, которая приводит в действие машина. Такая конструкция называется ДВС. потому что огонь и котел находятся вне цилиндра.Это неэффективно потому что энергия тратится впустую, поскольку тепло и пар уносятся от огня, через котел в цилиндр. Бензиновые и дизельные двигатели основаны на совершенно другой конструкции, называемой двигатель внутреннего сгорания. Бензин или дизельное топливо горит внутри цилиндра, а не за его пределами, и это делает двигатели внутреннего сгорания значительно более эффективны. (Подробнее о внутреннем и внешнем горении вы можете прочитать в нашем обзоре двигателей.) Нефть также имеет много других преимуществ: она чище угля, меньше производит загрязнение воздуха, и его намного легче транспортировать по трубам.

Во многом поэтому паровозы исчезли с наших железных дорог - тепловозы были в целом удобнее. Требуются часы, чтобы запустить паровой двигатель, прежде чем вы сможете его использовать; вы можете запустить дизельный двигатель менее чем за минуту. Паровые двигатели исчезли с заводов, когда электричество стал более удобным способом питания зданий. Кто хочет загружать уголь на фабрику каждый день, когда они могут просто щелкнуть переключателями, чтобы все заработало?

Иллюстрации: Лучше меньше, да лучше: Великобритания перешла с паровых двигателей на дизельные и электрические в 1960-е годы.Последние локомотивы были построены в 1956 году, а последний паровоз ходил в августе 1968 года. К 1968 году в эксплуатации находилось лишь около трети локомотивов по сравнению с 1962 годом, но перевозилось столько же грузов: дизель-электрическая железнодорожная система, по-видимому, была намного эффективнее. Источник: построено с использованием данных из книги "Эффективность британских железных дорог 1962–1968 гг." К. Д. Джонса, Journal of Transport Economics and Policy, Vol. 4, № 2 (май 1970 г.), стр. 162–170.

Но все не совсем так, как кажется.Пар и уголь никогда не делали исчезнуть - не совсем. Откуда берется электричество, которое мы используем? Было бы здорово, если бы все это происходило из возобновляемых источников энергии. (ветряные турбины, солнечные батареи и т. д.), но большая часть его по-прежнему поступает из угля, сгорел на электростанциях за много миль от наши дома и фабрики. Внутри угольной электростанции уголь все еще сжигается для производства пара, приводя в движение устройства, похожие на ветряные, называемые паровые турбины, которые намного эффективнее паровых двигателей. Когда они вращаются, они поворачиваются электромагнитные генераторы и производят электричество.Итак, видите, хотя паровозы исчезли из нашего железные дороги, паровая энергия жив и здоров - и так же важен, как никогда!

На фото: некоторые паровые машины, работающие на традиционных линиях. были еще относительно новыми, когда они были сняты с вооружения. Вот этот, Bulleid Pacific № 34070 "Манстон", был построен в 1947 году и снят менее чем через 20 лет (в 1964 году). После долгой реставрации Южными Локомотивами он вернулся в Служба на Swanage Railway в сентябре 2008 года.Чудесно впечатляющее зрелище, он весит 128 тонн и может развивать скорость более 160 км / ч (100 миль в час).

Кто изобрел паровой двигатель ... и когда?

Вот краткая история паровой энергии:

  • I век н. Э .: Герой Александрии демонстрирует паровую вращающуюся сферу, называемую эолипилом.
  • 16 век н. Э .: итальянский архитектор Джованни Бранка (1571–1640) использует струю пара для вращения лопастей небольшого колеса, предвосхищая паровую турбину, разработанную сэром Чарльзом Парсонсом в 1884 году.
  • 1680: голландский физик Христиан Гюйгенс (1629–1693) делает первый поршневой двигатель, используя простой цилиндр и поршень питается от взрывающегося пороха. Помощник Гюйгенса Денис Папин (1648 – c.1712) понимает, что пар - лучший способ управлять цилиндром и поршень.
  • 1698: Томас Савери (c.1650-1715) развивает паровой водяной насос под названием «Друг шахтера». Это просто поршневой паровой двигатель (или балочный двигатель) для откачки воды из мины.
  • 1712: англичанин Томас Ньюкомен (1663–1729) развивает намного лучшая конструкция парового водонасосного двигателя, чем Savery и обычно приписывают изобретение паровой машины.А Шотландский инженер по имени Джеймс Ватт (1736–1819) вычисляет гораздо более эффективный способ получения энергии из пара после улучшения модель двигателя Ньюкомена. Ватт усовершенствовал систему Ньюкомена. двигатель привел к широкому распространению пара.
  • 1770: офицер французской армии Николя-Жозеф Cugnot (1725–1804) изобретает паровой трехколесный трактор.
  • 1797: английский горный инженер Ричард Trevithick (1771–1833) разрабатывает паровую версию двигателя Ватта высокого давления, открывая путь для паровозов.
  • 1803: английский инженер Артур Вульф (1776–1837) делает паровая машина с более чем одним цилиндром.
  • 1804: американский промышленник Оливер Эванс (1775–1819) изобретает пассажирский автомобиль с паровым двигателем. Как и Тревитик, он признает важность пара высокого давления и создает больше, чем 50 паровых машин.
  • 1807: американский инженер Роберт Фултон (1765–1815) пробеги первое пароходное сообщение по реке Гудзон.
  • 1819: Океанский корабль с паровым двигателем «Саванна». пересекает Атлантика из Нью-Йорка в Ливерпуль всего за 27 дней.
  • 1825: английский инженер Джордж Стефенсон (1781–1848) строит первую в мире паровую железную дорогу между города Стоктон и Дарлингтон. Начнем с того, что паровозы тянут только тяжелые угольные грузовики, а пассажиров перегоняют в конных экипажах.
  • 1830: Ливерпульско-Манчестерская железная дорога первой в мире использует паровую силу. для перевозки пассажиров и грузов.
  • 1882: плодовитый американский изобретатель Томас Эдисон (1847–1931) открывает первую в мире коммерческую электростанцию ​​в Перле. Улица, Нью-Йорк.Он использует высокоскоростные паровые двигатели для приведения в действие генераторы электроэнергии.
  • 1884: английский инженер сэр Чарльз Парсонс (1854–1931) разрабатывает паровую турбину для своего скоростного парохода «Турбиния».

Фото: Подумайте о паровых двигателях, и вы, вероятно, подумаете о паровозах, но корабли тоже были на паровой тяге до того, как появились дизельные двигатели. Это прекрасно отреставрированный PS Waverley, последний в мире гребной пароход с веслами, построенный в 1947 году и прибывший на пирс Суонедж в сентябре 2009 года.

Как работают паровые машины?

Представьте, что вы живете только за счет угля и вода и все еще достаточно энергии бежать со скоростью более 100 миль в час! Именно на это способен паровоз. Хотя эти гигантские механические динозавры теперь вымерли из большинства железных дорог мира, паровые технологии живут в сердцах людей и Подобные локомотивы до сих пор используются как туристические достопримечательности по многим историческим местам. железнодорожные пути.

Паровозы приводились в движение паровыми двигателями и заслуживают того, чтобы быть запомнили, потому что они охватили мир через промышленные Революция 18-19 веков. Паровые двигатели занимают место в рейтинге машины, самолеты, телефоны, радио и телевидение среди величайших изобретений всех времен. Это чудеса техники и превосходные примеры инженерной мысли, но под всем этим дымом и паром, как именно они работают?

На фото: паровоз, работающий на железной дороге Твитси в Северной Каролине.Это узкоколейный поезд, а значит, колея не такая широкая, как на обычной железной дороге. Узкие дорожки часто используются в горных районах и на другой труднопроходимой местности, потому что их строительство, как правило, дешевле. Предоставлено: фотографии из американского проекта Кэрол М. Хайсмит в архиве Кэрол М. Хайсмит, Библиотека Конгресса, Отдел эстампов и фотографий.

Что приводит в действие паровой двигатель?

Чтобы сделать что угодно, требуется энергия вы можете придумать - кататься на скейтборде, чтобы летать на самолете, дойти до магазинов или проехать на машине по улица.Большая часть энергии, которую мы сегодня используем для транспорта, поступает от масло, но так было не всегда. До начала 20 века уголь был любимое топливо в мире, и оно питало все, от поездов и кораблей к злополучным паровым самолетам, изобретенным американским ученым Сэмюэл П. Лэнгли, ранний соперник братьев Райт. Что было так особенного об угле? Внутри Земли его много, так что это было относительно недорогой и широко доступный.

Уголь - это органическое химическое вещество, что означает это основано на элементе углерод.Уголь образуется за миллионы лет, когда останки мертвых растения погребаются под камнями, сдавливаются давлением, и приготовленные внутренним теплом Земли. Вот почему это называется ископаемым топливом. Глыбы угля - это действительно глыбы энергия. Углерод внутри них связан с атомами водорода и кислород через суставы, называемые химическими связями. Когда мы сжигаем уголь в огне, связи разрываются, и энергия выделяется в виде тепла.

Уголь содержит примерно половину энергии на килограмм, чем более чистые ископаемые виды топлива, такие как бензин, дизельное топливо и керосин, - и это одна из причин, по которой паровые двигатели должны сжигать его так много.

Фото: Основные части паровоза. Щелкните маленькую фотографию, чтобы увидеть ее намного больше. Это бывший танковый локомотив 4MT стандарта British Railways номер 80104 (построен в Брайтоне в 1955 году). работал на железной дороге Суонедж, Англия, в августе 2008 года. Прочтите, как его восстановили из ржавой кучи и вернули в строй. его владельцы, Южные Локомотивы, в 80104 Реставрация.

Что такое паровая машина?

Паровая машина - это машина, сжигающая уголь для выделения тепла. энергия, которую он содержит - так что это пример того, что мы называем тепловым двигателем.Это немного похоже на гигантский чайник, стоящий на угольном костре. Тепло от огня кипятит воду в чайнике и превращает ее в пар. Но вместо того, чтобы бесполезно взорвать воздух, как пар из чайника, пар улавливается и используется для питания машина. Давайте узнаем как!

Как работает паровая машина

Грубо говоря, паровой двигатель состоит из четырех различных частей:

  1. Пожар, в котором горит уголь.
  2. Котел, наполненный водой, которую огонь нагревает для образования пара.
  3. Цилиндр и поршень, скорее как велосипедный насос, но очень больше. Пар из котла направляется в цилиндр, в результате чего поршень двигается сначала в одну сторону, затем в другую. Это движение внутрь и наружу (который также известен как "возвратно-поступательное движение") используется для привода ...
  4. Станок, прикрепленный к поршню. Это может быть что угодно из водяной насос к заводской машине ... или даже гигантскому паровозу бегает вверх и вниз по железной дороге.

Конечно, это очень упрощенное описание.На самом деле в даже самый маленький паровоз.

Пошаговая инструкция

Проще всего увидеть, как все работает, в нашей маленькой анимации. паровоза, внизу. Внутри кабины локомотива загружаешь уголь в топку (1), что вполне буквально металлический ящик содержащий ревущий угольный огонь. Огонь нагревает котел - «великан чайник »внутри локомотива.

Котел (2) в паровозе не очень похоже чайник, который вы бы использовали, чтобы заварить чашку чая, но он работает таким же образом производят пар под высоким давлением.Котел представляет собой большую емкость с водой с десятками тонких металлических трубок. Бег через него (для простоты мы показываем здесь только один, окрашенный в оранжевый цвет). Трубы идут от топки к дымоходу, неся тепло и дым огня с ними (показаны белыми точками внутри трубки). Такое расположение котельных труб, как их называют, означает двигатель огонь может нагреть воду в баке котла намного быстрее, поэтому он производит пар быстрее и эффективнее. Вода, создающая пар, либо поступает из цистерн, установленных сбоку от локомотива, или из отдельного вагона, называемого тендером, тянущегося за локомотивом. локомотив.(В тендер также включена локомотивная поставка угля.) Вы можете увидеть фото тендера с изображением резервуара для воды ниже на этой странице.

Пар, образующийся в котле, стекает в цилиндр (3) прямо перед колесами, толкая плотно прилегающий плунжер, поршень (4), вперед и назад. Небольшой механический затвор в цилиндре, известный как впускной клапан (показан оранжевым) пропускает пар. Поршень подсоединен к одному или больше колес локомотива через своего рода руку-локоть-плечо соединение, называемое кривошипом и шатуном (5).

По мере того, как поршень толкает, кривошип и шатун поворачивают колеса локомотива и привести поезд в движение (6). Когда поршень достигает конца цилиндра, он не может толкать дальше. Инерция поезда (тенденция продолжать движение) несет в себе поверните рукоятку вперед, проталкивая поршень обратно в цилиндр. Оно пришло. Клапан впуска пара закрывается. Выпускной клапан открывается, и поршень выталкивает пар обратно через цилиндр и вверх дымовая труба локомотива (7). Прерывистый шум, который паровой двигатель производит, и его прерывистые клубы дыма случаются, когда поршень движется вперед и назад в цилиндре.

По цилиндрам с каждой стороны локомотива и два цилиндра. стрелять немного не в ногу друг с другом, чтобы всегда было что-то мощность толкает двигатель вперед.

Типы паровых машин

Фото: Крупный план поршня и цилиндра паровой машины.

На приведенной выше диаграмме показан очень простой одноцилиндровый паровой двигатель, приводящий в действие паровоз по рельсам. Это называется роторным Стим двигатель, потому что работа поршня - заставить колесо вращаться.В первые паровые машины работали совершенно иначе. Вместо того вращая колесо, поршень толкал балку вверх и вниз простым возвратно-поступательное или возвратно-поступательное движение. Возвратно-поступательный пар двигатели использовались для откачки воды из затопленных угольных шахт в начале 18-ый век.

На нашей диаграмме показан пар, толкающий поршень в одну сторону, а импульс локомотива, едущего в другую сторону. Это называется односторонним действием. паровой двигатель, и это довольно неэффективная конструкция, потому что поршень работает только половину времени.Намного лучше (хотя и немного больше сложная) конструкция использует дополнительные паровые трубы и клапаны для подачи пара поршень сначала в одну сторону, а затем в другую. Это называется двойным действием. (или противоточный) паровой двигатель. Он более мощный, потому что пар движет поршень по всей длине. время. Если вы внимательно посмотрите на колеса типичного парового двигателя, вы видите, что все сложнее, чем мы видели в простой анимации выше: машин гораздо больше, чем просто кривошип и шатун.Фактически, есть сложная коллекция блестящих рычагов, скользящих вперед и назад с тщательной точность. Это называется клапанной передачей. Его работа открывать и закрывать клапаны баллона в нужный момент, чтобы позволить пар поступает с обоих концов, чтобы двигатель работал как можно эффективнее и мощнее, и чтобы он мог ехать задним ходом. Есть довольно много разных типов клапанный редуктор; один из наиболее распространенных дизайнов называется Walschaerts, названный в честь его бельгийский изобретатель Эгиде Вальшартс (1820–1901).Танковый двигатель 80104 На втором фото на этой странице изображен клапанный механизм типа Walschaerts, как и Эддистон, локомотив, изображенный ниже.

Фото: Механизм клапана Walschaerts на типичном большом паровозе, 34028 Эддистоун.

Первые паровые машины были очень большими и неэффективными, что означало потребовалось огромное количество угля, чтобы заставить их что-либо делать. Более поздние двигатели производил пар при гораздо более высоком давлении: пар производился в котел меньше, намного сильнее, поэтому он выдавливается с большей силой и задул поршень сильнее.Дополнительная сила высокого давления Стим двигатели позволили инженерам сделать их легче и компактнее, и это открыло путь для паровозов, пароходов, и паровые машины.

Фото: Паровозы не могли нести всю воду они нужны были для дальнего путешествия. Периодически им приходилось останавливаться для пополнения в железнодорожные цистерны с водой, подобные этому (вверху) на железной дороге Суонедж. На более крупные двигатели были тендеры: грузовики, которые они тащили за собой, с запасами уголь (перед проведенной красной линией) и вода (за красной линией).Уголь опирается на угловой пластина внутри тендера, которая естественным образом наклоняется к отверстию спереди, где пожарный может легко перелопатить его в топку. Внизу: Как выглядит тендер внутри на этой необычной фотографии пустого тендера, сфотографировано немного сверху и сзади, сделано в Think Tank, музее науки в Бирмингеме, Англия. Этот тендер вмещает около 18000 литров (4000 британских галлонов) воды и принадлежит музейному локомотиву Бирмингема.

Неужели умер пар?

Уголь был дешевым и доступным топливом в период раннего промышленного развития. Революция, но изобретение бензинового двигателя (бензиновый двигатель) в середине 19 века ознаменовал новую эру: в 20-м веке нефть превзошла уголь как мировой фаворит. топливо.Паровые двигатели крайне неэффективны, тратя около 80–90 процентов. всей энергии, которую они производят из угля. Это означает, что они должны гореть огромное количество угля для производства полезного количества энергии.

Паровая машина настолько неэффективна, потому что огонь, сжигающий уголь, полностью отделить (и часто на некотором расстоянии от) вращающийся цилиндр тепловую энергию пара в механическую энергию, которая приводит в действие машина. Такая конструкция называется ДВС. потому что огонь и котел находятся вне цилиндра.Это неэффективно потому что энергия тратится впустую, поскольку тепло и пар уносятся от огня, через котел в цилиндр. Бензиновые и дизельные двигатели основаны на совершенно другой конструкции, называемой двигатель внутреннего сгорания. Бензин или дизельное топливо горит внутри цилиндра, а не за его пределами, и это делает двигатели внутреннего сгорания значительно более эффективны. (Подробнее о внутреннем и внешнем горении вы можете прочитать в нашем обзоре двигателей.) Нефть также имеет много других преимуществ: она чище угля, меньше производит загрязнение воздуха, и его намного легче транспортировать по трубам.

Во многом поэтому паровозы исчезли с наших железных дорог - тепловозы были в целом удобнее. Требуются часы, чтобы запустить паровой двигатель, прежде чем вы сможете его использовать; вы можете запустить дизельный двигатель менее чем за минуту. Паровые двигатели исчезли с заводов, когда электричество стал более удобным способом питания зданий. Кто хочет загружать уголь на фабрику каждый день, когда они могут просто щелкнуть переключателями, чтобы все заработало?

Иллюстрации: Лучше меньше, да лучше: Великобритания перешла с паровых двигателей на дизельные и электрические в 1960-е годы.Последние локомотивы были построены в 1956 году, а последний паровоз ходил в августе 1968 года. К 1968 году в эксплуатации находилось лишь около трети локомотивов по сравнению с 1962 годом, но перевозилось столько же грузов: дизель-электрическая железнодорожная система, по-видимому, была намного эффективнее. Источник: построено с использованием данных из книги "Эффективность британских железных дорог 1962–1968 гг." К. Д. Джонса, Journal of Transport Economics and Policy, Vol. 4, № 2 (май 1970 г.), стр. 162–170.

Но все не совсем так, как кажется.Пар и уголь никогда не делали исчезнуть - не совсем. Откуда берется электричество, которое мы используем? Было бы здорово, если бы все это происходило из возобновляемых источников энергии. (ветряные турбины, солнечные батареи и т. д.), но большая часть его по-прежнему поступает из угля, сгорел на электростанциях за много миль от наши дома и фабрики. Внутри угольной электростанции уголь все еще сжигается для производства пара, приводя в движение устройства, похожие на ветряные, называемые паровые турбины, которые намного эффективнее паровых двигателей. Когда они вращаются, они поворачиваются электромагнитные генераторы и производят электричество.Итак, видите, хотя паровозы исчезли из нашего железные дороги, паровая энергия жив и здоров - и так же важен, как никогда!

На фото: некоторые паровые машины, работающие на традиционных линиях. были еще относительно новыми, когда они были сняты с вооружения. Вот этот, Bulleid Pacific № 34070 "Манстон", был построен в 1947 году и снят менее чем через 20 лет (в 1964 году). После долгой реставрации Южными Локомотивами он вернулся в Служба на Swanage Railway в сентябре 2008 года.Чудесно впечатляющее зрелище, он весит 128 тонн и может развивать скорость более 160 км / ч (100 миль в час).

Кто изобрел паровой двигатель ... и когда?

Вот краткая история паровой энергии:

  • I век н. Э .: Герой Александрии демонстрирует паровую вращающуюся сферу, называемую эолипилом.
  • 16 век н. Э .: итальянский архитектор Джованни Бранка (1571–1640) использует струю пара для вращения лопастей небольшого колеса, предвосхищая паровую турбину, разработанную сэром Чарльзом Парсонсом в 1884 году.
  • 1680: голландский физик Христиан Гюйгенс (1629–1693) делает первый поршневой двигатель, используя простой цилиндр и поршень питается от взрывающегося пороха. Помощник Гюйгенса Денис Папин (1648 – c.1712) понимает, что пар - лучший способ управлять цилиндром и поршень.
  • 1698: Томас Савери (c.1650-1715) развивает паровой водяной насос под названием «Друг шахтера». Это просто поршневой паровой двигатель (или балочный двигатель) для откачки воды из мины.
  • 1712: англичанин Томас Ньюкомен (1663–1729) развивает намного лучшая конструкция парового водонасосного двигателя, чем Savery и обычно приписывают изобретение паровой машины.А Шотландский инженер по имени Джеймс Ватт (1736–1819) вычисляет гораздо более эффективный способ получения энергии из пара после улучшения модель двигателя Ньюкомена. Ватт усовершенствовал систему Ньюкомена. двигатель привел к широкому распространению пара.
  • 1770: офицер французской армии Николя-Жозеф Cugnot (1725–1804) изобретает паровой трехколесный трактор.
  • 1797: английский горный инженер Ричард Trevithick (1771–1833) разрабатывает паровую версию двигателя Ватта высокого давления, открывая путь для паровозов.
  • 1803: английский инженер Артур Вульф (1776–1837) делает паровая машина с более чем одним цилиндром.
  • 1804: американский промышленник Оливер Эванс (1775–1819) изобретает пассажирский автомобиль с паровым двигателем. Как и Тревитик, он признает важность пара высокого давления и создает больше, чем 50 паровых машин.
  • 1807: американский инженер Роберт Фултон (1765–1815) пробеги первое пароходное сообщение по реке Гудзон.
  • 1819: Океанский корабль с паровым двигателем «Саванна». пересекает Атлантика из Нью-Йорка в Ливерпуль всего за 27 дней.
  • 1825: английский инженер Джордж Стефенсон (1781–1848) строит первую в мире паровую железную дорогу между города Стоктон и Дарлингтон. Начнем с того, что паровозы тянут только тяжелые угольные грузовики, а пассажиров перегоняют в конных экипажах.
  • 1830: Ливерпульско-Манчестерская железная дорога первой в мире использует паровую силу. для перевозки пассажиров и грузов.
  • 1882: плодовитый американский изобретатель Томас Эдисон (1847–1931) открывает первую в мире коммерческую электростанцию ​​в Перле. Улица, Нью-Йорк.Он использует высокоскоростные паровые двигатели для приведения в действие генераторы электроэнергии.
  • 1884: английский инженер сэр Чарльз Парсонс (1854–1931) разрабатывает паровую турбину для своего скоростного парохода «Турбиния».

Фото: Подумайте о паровых двигателях, и вы, вероятно, подумаете о паровозах, но корабли тоже были на паровой тяге до того, как появились дизельные двигатели. Это прекрасно отреставрированный PS Waverley, последний в мире гребной пароход с веслами, построенный в 1947 году и прибывший на пирс Суонедж в сентябре 2009 года.

Как работают паровые двигатели?

Нагрейте воду до точки кипения, и она превратится из жидкости в газ или водяной пар, который мы знаем как пар. Когда вода превращается в пар, ее объем увеличивается примерно в 1600 раз, это расширение наполнено энергией.

Двигатель - это машина, которая преобразует энергию в механическую силу или движение, которое может вращать поршни и колеса. Назначение двигателя - обеспечивать мощность, паровой двигатель обеспечивает механическую мощность, используя энергию пара.

Паровые двигатели были первыми изобретенными удачными двигателями и движущей силой промышленной революции. Они использовались для питания первых поездов, кораблей, заводов и даже автомобилей. И хотя в прошлом паровые двигатели были определенно важны, теперь у них есть новое будущее, поскольку они снабжают нас электроэнергией с помощью геотермальных источников энергии.

Как работают паровые двигатели

Чтобы понять основную паровую машину, давайте возьмем пример паровой машины, найденной в старом паровозе, подобном изображенному.Основными частями паровой машины в локомотиве будут котел, золотниковый клапан, цилиндр, паровой резервуар, поршень и ведущее колесо.

В котле должна быть топка, куда перелопатить уголь. Уголь будет гореть при очень высокой температуре и использоваться для нагрева котла для кипячения воды с образованием пара высокого давления. Пар высокого давления расширяется и выходит из котла по паропроводам в паровой резервуар. Затем пар управляется золотниковым клапаном, перемещаясь в цилиндр и толкая поршень.Давление энергии пара, толкающее поршень, вращает ведущее колесо по кругу, создавая движение локомотива.

История паровых двигателей

Люди веками знали о силе пара. Греческий инженер, Герой Александрии (около 100 г. н.э.), экспериментировал с паром и изобрел эолипил, первый, но очень примитивный паровой двигатель. Эолипил представлял собой металлический шар, установленный на котле с кипящей водой. Пар по трубам попадал в сферу.Две L-образные трубки на противоположных сторонах сферы выпускали пар, который давал на сферу толчок, заставляя ее вращаться. Однако Герой так и не осознал потенциал эолипила, и прошли столетия, прежде чем был изобретен практический паровой двигатель.

В 1698 году английский инженер Томас Савери запатентовал первый сырой паровой двигатель. Савери использовал свое изобретение, чтобы откачать воду из угольной шахты. В 1712 году английский инженер и кузнец Томас Ньюкомен изобрел атмосферный паровой двигатель.Целью паровой машины Ньюкомена было также удаление воды из шахт. В 1765 году шотландский инженер Джеймс Ватт начал изучать паровой двигатель Томаса Ньюкомена и изобрел его улучшенную версию. Это двигатель Ватта был первым, кто имел вращательное движение. Дизайн Джеймса Ватта оказался успешным, и использование паровых двигателей стало широко распространенным.

Паровые двигатели оказали глубокое влияние на историю транспорта. К концу 1700-х годов изобретатели поняли, что паровые двигатели могут приводить в действие лодки, и первый коммерчески успешный пароход был изобретен Джорджем Стефенсоном.После 1900 года бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания начали заменять паропоршневые двигатели. Однако за последние двадцать лет паровые машины снова появились.

Паровые двигатели сегодня

Может показаться удивительным узнать, что 95 процентов атомных электростанций используют паровые двигатели для выработки энергии. Да, радиоактивные топливные стержни на атомной электростанции используются точно так же, как уголь в паровозе, для кипячения воды и создания энергии пара. Однако утилизация отработавших радиоактивных топливных стержней, уязвимость атомных электростанций к землетрясениям и другим проблемам подвергают население и окружающую среду большому риску.

Геотермальная энергия - это энергия, генерируемая с использованием пара, выделяемого теплом, исходящим от расплавленного ядра земли. Геотермальные электростанции - это относительно зеленая технология. Kaldara Green Energy, норвежско-исландский производитель оборудования для производства геотермальной электроэнергии, был главным новатором в этой области.

Солнечные тепловые электростанции также могут использовать паровые турбины для выработки электроэнергии.

Что заставляет паровоз работать? - Музей железных дорог Среднего континента

При нагревании вода превращается в невидимый пар, известный как пар.Объем воды расширяется, превращаясь в пар внутри котла, создавая высокое давление. Расширение пара толкает поршни, которые соединяются с ведущими колесами локомотива.

  1. Уголь или нефть - это топливо, используемое для нагрева воды (уголь показан на схеме). Уголь везут в тендере локомотива, а пожарный вручную забрасывает его в топку. Вода подается в тендере в резервуаре, окружающем уголь. Вода поступает в локомотив через устройство, называемое инжектором.
  2. Равномерно распределив уголь по топке, пожарный создает ровный огонь над решетками. Воздух проходит через решетку, позволяя углю гореть сильнее. Горячие газы, выделяемые из угля, проходят через ряд дымоходов или трубок к передней части локомотива.
  3. Вода окружает топку снаружи. Тепло от горящего угля превращает воду в пар, который поднимается к верхней части котла. Территория, окружающая топку и трубы, является «парогенератором» локомотива.
  4. Пар собирается в паровом куполе, самой высокой точке котла. Инженер использует дроссель, чтобы регулировать количество пара, подаваемого к поршням. Рычаг дроссельной заслонки в кабине открывает и закрывает дроссельную заслонку в паровом куполе.
  5. Пар проходит к поршневым клапанам, которые регулируют подачу пара в цилиндры. Попадая в поршень, пар расширяется, толкая его в противоположном направлении. В конце хода поршня выпускное отверстие открывается, позволяя выходить пару.Затем процесс обратный и повторяется в обратном направлении. Пар поступает с обеих сторон поршня, поэтому он всегда находится под напряжением. Рычаг в кабине позволяет механику управлять работой поршневых клапанов (направление движения локомотива и время).
  6. Поршни толкают или тянут штоки, соединенные с ведущими колесами, обеспечивая силу, необходимую для движения локомотива.
  7. Пар выходит через сопло и через дымовую коробку поднимается в дымовую трубу.Это действие производит звук «чавканье», слышимый при движении локомотива. В результате возникает тяга или вакуум, вытягивающий воздух через решетки топки, чтобы вызвать сгорание угля. Как отработанный пар, так и угольный дым поднимаются по дымовой трубе.

Как работает паровоз

В отличие от современных машин, паровоз, который претерпел несколько фундаментальных изменений за 125 лет развития, открыто демонстрирует многие из своих частей. Эта механическая честность давно очаровывала зрителей и побуждала к изучению, но многие до сих пор задаются вопросом, как все это работает.Фактически, этому предмету посвящены целые книги.

Есть два основных направления деятельности паровоза: котел, в котором производится пар, и двигатель (цилиндры, стержни и ведущие колеса), в котором используется пар.

Существенное действие любого парового двигателя, стационарного или мобильного, заключается в том, что пар под давлением (200-300 фунтов на квадратный дюйм для большинства локомотивов) входит в узел цилиндр-поршень и толкается к поршню, когда он расширяется, чтобы достичь нормального атмосферного давления. .

Производство пара

Производство пара начинается с огня, который покоится на решетках внизу топки. Горячие газы поднимаются от топки к верхней части топки или камеры сгорания. На локомотиве, работающем на угле, накопление золы контролируется встряхиванием решеток, чтобы зола падала в зольник ниже. По окончании пробега зола выгружается из бункера зольника.

Газы движутся из топки вперед по массиву труб, называемых дымоходами, или трубками, в основной части котла, заполненной водой.Лучший способ представить, как выглядит внутренняя часть цилиндрического бойлера, - это представить связку соломинок для питья в стакане (только стакан будет лежать на боку, а не вертикально).

Тепло от газов в дымоходах доводит воду до кипения, образуя пар. Пар поднимается в верхнюю часть котла и собирается в куполе, где обычно находится дроссель, регулирующий поток пара в цилиндры. (У более современных локомотивов дросселирования располагались в дымовой камере.)

Сухая труба переносит пар от купола вперед к пароперегревателю, усовершенствование, которое стало широко использоваться примерно в 1910 году. Пароперегреватель представляет собой просто систему труб, которые проводят пар обратно через очень большие дымоходы, где он нагревается до более высокой температуре, прежде чем вернуть его в трубы подачи пара, ведущие к цилиндрам. Использование перегретого пара, а не насыщенного, увеличило КПД паровоза на 25-30 процентов.

Котел, как сосуд высокого давления, требует осторожного обращения, чтобы он не взорвался. Предохранительные клапаны предназначены для автоматического выхода пара, если давление в котле становится слишком высоким. Верх топки, называемый венцом, должен быть постоянно залит водой. Если уровень воды опускается ниже верхнего слоя, тепло огня может ослабить его, в результате чего бойлер, работающий под давлением, взорвется. В кабине предусмотрены такие устройства, как водомер или стекло, чтобы экипаж мог контролировать уровень воды.Сигнализация низкого уровня воды встречается на новых локомотивах.

Использование пара

Из паропроводов пар поступает в клапанные коробки (по одному с каждой стороны). Клапаны, перемещаясь вперед и назад, позволяют пару входить в цилиндры в то время, когда он может толкать поршни. Когда пар выполнил свою работу, клапан переместился, позволяя ему выйти при значительно пониженном давлении в дымовую трубу дымовой камеры.

Движение клапанов происходит от крейцкопфа, который перемещается в соответствии с вращением ведущих колес, а также соединен с зубчатым колесом клапана.Инженер приводит в действие клапанный механизм с помощью рычага реверса, названного так потому, что он используется для управления направлением движения локомотива, а также синхронизацией срабатывания клапана.

После того, как пар толкает поршень, ряд связей - шток поршня к главному штоку, главный шток к боковому штоку, боковой шток к ведущим колесам - преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение колес. Противовесы, расположенные напротив точки крепления тяг, удерживают ведущие колеса в равновесии.

Самые ранние локомотивы имели одну пару машинистов, в то время как наибольшее количество колес, приводимых от одного набора цилиндров, составляло шесть пар. Из-за их большого размера или потребности в гибкости многие локомотивы имели два двигателя - два набора ведущих колес, каждое из которых приводилось в движение набором цилиндров.

Чтобы помочь ему в поворотах, у многих локомотивов также был небольшой набор колес (одна пара или два) впереди под дымовой коробкой, называемый свинцовым или пони-грузовиком. Аналогичным образом, двух- или четырехколесный прицепной грузовик был размещен в задней части локомотива для поддержки топки.

Существовало множество вариаций колесных формул в зависимости от предполагаемой службы локомотива и эпохи его постройки.

Вытяжка дыма и пара

После того, как пар израсходован в цилиндрах, он попадает в дымовую камеру через дымовую трубу. Когда отработанный пар поднимается вверх по направлению к дымовой трубе, он создает тягу для огня, втягивая газы через дымоходы в дымовую коробку. (Свежий воздух попадает в локомотив через открытое пространство у основания топки.Смешанный отработанный пар и газы затем покидают локомотив через дымовую трубу. Это относительно сильный выброс пара из цилиндров, который производит знакомый звук чавкания.

Поскольку выхлоп зависит от отработанного пара, выходящего из цилиндров, необходимо предусмотреть выпуск горячих газов или дыма, когда инженер закрывает дроссельную заслонку. Для этого в коптильне размещается группа небольших пароструйных аппаратов, называемых воздуходувкой.

Коптильня также служит для сбора частично сгоревших частиц угля, прошедших через дымоходы.Когда они накапливаются на глубине, достаточной, чтобы препятствовать потоку газов, некоторые из них улавливаются вихревым выхлопом и выбрасываются в дымовую трубу в виде золы.

Топливо, вода, непредвиденные расходы

Топливо (уголь для большинства паровозов, масло для некоторых, древесина в первые дни) и вода перевозятся в тендере, в отдельном вагоне, частично постоянно соединенном с локомотивом.

Уголь изначально подавался в топку пожарным с помощью лопаты, но локомотивы любого размера и современности оснащены механическими кочегарками.Некоторые локомотивы, предназначенные для ближнемагистральных перевозок, были построены без тендеров; они несут ограниченное количество собственных запасов и известны как танковые двигатели.

Вода в котел добавляется двумя инжекторами (один для инженера, один для пожарного) или инжектором и нагревателем питательной воды. Инжектор использует пар, чтобы нагнетать воду в бойлер, при этом нагревая воду. Вода из инжектора еще холодная по сравнению с водой в котле, поэтому обратный клапан на входе в котел вынесен вперед, чтобы не охлаждать воду возле топки.Более эффективные нагреватели питательной воды, установленные на большинстве больших парогенераторов после середины 1930-х годов, используют отработанный пар для предварительного нагрева воды.

Другие аксессуары, используемые в паровозах, являются элементами безопасности, которые были перенесены, хотя и в измененной форме, в качестве стандартного оборудования на современные дизели.

Фара и другие электроприборы, такие как габаритные огни и фонари кабины, приводятся в действие небольшим паровым турбогенератором. Раньше фары горели маслом.

Пилот, который постепенно уменьшался в размерах от «ловцов коров» середины 19 века, отодвигает препятствия.Чтобы приспособиться к тормозам, у локомотивов, которые часто переключались, часто были подножки вместо пилотов, но они были запрещены на дизелях по соображениям безопасности.

Песок для тяги хранится в одном или нескольких песчаных куполах или песочницах, как их иногда называют.

Свисток, установленный на куполе многих локомотивов, можно было разместить в нескольких местах. Механические звонари заменили простое действие члена экипажа, тянущего за шнур, прикрепленный к звонку.

Как работает локомотив | The Lakeside & Haverthwaite Railway

  1. Топка
  2. Дверь топки
  3. Пожарные решетки / решетки
  4. Ящик
  5. Уголь
  6. Вода
  7. Пожарные трубы
  8. Регулятор
  9. Коллектор для другого оборудования (для другого оборудования.свисток, прерыватели, вентилятор и т. д.)
  10. Паровой купол
  11. Основная паровая труба
  12. Выхлопная труба
  1. Воздуховод
  2. Цилиндр
  3. Поршень
  4. Золотниковый клапан
  5. Дымоход
  6. Шатун
  7. Кривошип
  8. Ведущие колеса
  9. Паровая труба для тормозов поезда
  10. Боковые резервуары для воды
  11. Песочница, для тяги по мокрым рельсам
  12. Дымовая камера
  13. Предохранительный клапан

В паровом двигателе используется угольный огонь (хотя есть за некоторыми исключениями) в качестве источника энергии для кипячения воды и производства пара.

Горячие газы от горящего угля в топке проходят через котел в «дымовых трубах» (144 в случае локомотива «Барклай» выше), прежде чем покинуть двигатель через дымовую камеру и дымоход.

Когда вода закипает, горячий «влажный» пар поднимается вверх и собирается из парового купола в верхней части котла через регулирующий клапан, который машинист использует для управления скоростью локомотивов.

От регулятора пар подается по трубопроводу к цилиндрам и попадает, альтернативно, через клапанные коробки (расположенные сбоку от корпуса цилиндра), толкая поршень в цилиндре вперед и назад.

Поршень соединен с ведущими колесами через «шатун» и «кривошип» (или «клапанный механизм», как его обычно называют), и движение поршня вперед и назад вращает ведущие колеса. Каждый раз, когда поршень цилиндра движется вперед и назад, ведущее колесо совершает полный оборот.

«Кривошипные» рычаги на каждой стороне локомотива смещены на 90 градусов, чтобы предотвратить его заклинивание, если локомотив остановится с ними в горизонтальном положении.

После выхода из цилиндра отработанный пар уходит из двигателя через дымовую трубу в дымовую трубу в дымовой камере.Действие пара в дымовой трубе создает более низкое давление в дымовой камере и помогает втягивать горячие газы от огня через трубы котла и, в свою очередь, генерировать больше пара.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *