Как устроен паровой двигатель схема: STEAM ENGINE 21 столетия. ПАРОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ СВОИМИ РУКАМИ

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: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

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.)

Паровой двигатель, принцип работы

Паровые двигатели были установлены и приводили в движение большую часть паровозов в период начала 1800 и вплоть до 1950 годов прошлого века. Хочется отметить, что принцип работы этих двигателей всегда оставался неизменным, несмотря на изменение их конструкции и габаритов.

На анимированной иллюстрации приведен принцип работы парового двигателя.

Для генерации подаваемого на двигатель пара использовались котлы, работающие как на дровах и угле, так и на жидком топливе.

Первый такт

Пар из котла поступает в паровую камеру, из которой через паровую задвижку-клапан (обозначена синим цветом) попадает в верхнюю (переднюю) часть цилиндра. Давление, создаваемое паром, толкает поршень вниз к НМТ. Во время движения  поршня от ВМТ к НМТ колесо делает пол оборота.

Выпуск

В самом конце движения поршня к НМТ паровой клапан смещается, выпуская остатки пара через выпускное окно, расположенное ниже клапана. Остатки пара вырываются наружу, создавая характерный для работы паровых двигателей звук.

Второй такт

В то же самое время, смещение клапана на выпуск остатков пара открывает вход пара в нижнюю (заднюю) часть цилиндра. Созданное паром в цилиндре давление заставляет поршень двигаться к ВМТ. В это время колесо делает еще пол оборота.

Выпуск

В конце движения поршня к ВМТ остатки пара освобождаются через все то же выпускное окно.

Цикл повторяется заново.

Паровой двигатель имеет т.н. мертвую точку в конце каждого хода, когда клапан переходит от такта расширения к выпуску. По этой причине каждый паровой двигатель имеет два цилиндра, что позволяет запускать двигатель из любого положения.

Двигатель своими руками паровой: подробное описание, чертежи

Паровой двигатель начал свою экспансию еще в начале 19-го века. И уже в то время строились не только большие агрегаты для промышленных целей, но также и декоративные. В большинстве своем их покупателями были богатые вельможи, которые хотели позабавить себя и своих детишек. После того как паровые агрегаты плотно вошли в жизнь социума, декоративные двигатели начали применяться в университетах и школах в качестве образовательных образцов.

Паровые двигатели современности

В начале 20-го века актуальность паровых машин начала падать. Одной из немногих компаний, которые продолжили выпуск декоративных мини-двигателей, стала британская фирма Mamod, которая позволяет приобрести образец подобной техники даже сегодня. Но стоимость таких паровых двигателей легко переваливает за две сотни фунтов стерлингов, что не так и мало для безделушки на пару вечеров. Тем более для тех, кто любит собирать всяческие механизмы самостоятельно, гораздо интереснее создать простой паровой двигатель своими руками.

Устройство двигателя очень простое. Огонь нагревает котел с водой. Под действием температуры вода превращается в пар, который толкает поршень. Пока в емкости есть вода, соединенный с поршнем маховик будет вращаться. Это стандартная схема строения парового двигателя. Но можно собрать модель и совершенно другой комплектации.

Что же, перейдем от теоретической части к более увлекательным вещам. Если вам интересно делать что-то своими руками, и вас удивляют столь экзотичные машины, то эта статья именно для вас, в ней мы с радостью расскажем о различных способах того, как собрать двигатель своими руками паровой. При этом сам процесс создания механизма дарит радость не меньшую, чем его запуск.

Метод 1: мини-паровой двигатель своими руками

Итак, начнем. Соберем самый простой паровой двигатель своими руками. Чертежи, сложные инструменты и особые знания при этом не нужны.

Для начала берем алюминиевую банку из-под любого напитка. Отрезаем от нее нижнюю треть. Так как в результате получим острые края, то их необходимо загнуть внутрь плоскогубцами. Делаем это осторожно, чтобы не порезаться. Так как большинство алюминиевых банок имеют вогнутое дно, то необходимо его выровнять. Достаточно плотно прижать его пальцем к какой-нибудь твердой поверхности.

На расстоянии 1,5 см от верхнего края полученного «стакана» необходимо сделать два отверстия друг напротив друга. Желательно для этого использовать дырокол, так как необходимо, чтобы они получились в диаметре не менее 3 мм. На дно банки кладем декоративную свечку. Теперь берем обычную столовую фольгу, мнем ее, после чего оборачиваем со всех сторон нашу мини-горелку.

Мини-сопла

Далее нужно взять кусок медной трубки длиной 15-20 см. Важно, чтобы внутри она была полой, так как это будет наш главный механизм приведения конструкции в движение. Центральную часть трубки оборачивают вокруг карандаша 2 или 3 раза, так, чтобы получилась небольшая спираль.

Теперь необходимо разместить этот элемент так, чтобы изогнутое место размещалось непосредственно над фитилем свечки. Для этого придаем трубке формы буквы «М». При этом выводим участки, которые опускаются вниз, через проделанные отверстия в банке. Таким образом, медная трубка жестко фиксируется над фитилем, а ее края являются своеобразными соплами. Для того чтобы конструкция могла вращаться, необходимо отогнуть противоположные концы «М-элемента» на 90 градусов в разные стороны. Конструкция парового двигателя готова.

Запуск двигателя

Банку размещают в емкости с водой. При этом необходимо, чтобы края трубки находились под ее поверхностью. Если сопла недостаточно длинные, то можно добавить на дно банки небольшой грузик. Но будьте осторожны — не потопите весь двигатель.

Теперь необходимо заполнить трубку водой. Для этого можно опустить один край в воду, а вторым втягивать воздух как через трубочку. Опускаем банку на воду. Поджигаем фитиль свечки. Через некоторое время вода в спирали превратится в пар, который под давлением будет вылетать из противоположных концов сопел. Банка начнет вращаться в емкости достаточно быстро. Вот такой у нас получился двигатель своими руками паровой. Как видите, все просто.

Модель парового двигателя для взрослых

Теперь усложним задачу. Соберем более серьезный двигатель своими руками паровой. Для начала необходимо взять банку из-под краски. При этом следует убедиться, что она абсолютно чистая. На стенке на 2-3 см от дна вырезаем прямоугольник с размерами 15 х 5 см. Длинная сторона размещается параллельно дну банки. Из металлической сетки вырезаем кусок площадью 12 х 24 см. С обоих концов длинной стороны отмеряем 6 см. Отгибаем эти участки под углом 90 градусов. У нас получается маленький «столик-платформа» площадью 12 х 12 см с ногами по 6 см. Устанавливаем полученную конструкцию на дно банки.

По периметру крышки необходимо сделать несколько отверстий и разместить их в форме полукруга вдоль одной половины крышки. Желательно, чтобы отверстия имели диаметр около 1 см. Это необходимо для того, чтобы обеспечить надлежащую вентиляцию внутреннего пространства. Паровой двигатель не сможет хорошо работать, если к источнику огня не будет попадать достаточное количество воздуха.

Основной элемент

Из медной трубки делаем спираль. Необходимо взять около 6 метров мягкой медной трубки диаметром 1/4-дюйма (0,64 см). От одного конца отмеряем 30 см. Начиная с этой точки, необходимо сделать пять витков спирали диаметром 12 см каждая. Остальную часть трубы изгибают в 15 колец диаметром по 8 см. Таким образом, на другом конце должно остаться 20 см свободной трубки.

Оба вывода пропускают через вентиляционные отверстия в крышке банки. Если окажется, что длины прямого участка недостаточно для этого, то можно разогнуть один виток спирали. На установленную заранее платформу кладут уголь. При этом спираль должна размещаться как раз над этой площадкой. Уголь аккуратно раскладывают между ее витками. Теперь банку можно закрыть. В итоге мы получили топку, которая приведет в действие двигатель. Своими руками паровой двигатель почти сделан. Осталось немного.

Емкость для воды

Теперь необходимо взять еще одну банку из-под краски, но уже меньшего размера. В центре ее крышки сверлят отверстие диаметром в 1 см. Сбоку банки проделывают еще два отверстия — одно почти у дна, второе — выше, у самой крышки.

Берут два корка, в центре которых проделывают отверстие с диаметров медной трубки. В один корок вставляют 25 см пластиковой трубы, в другой — 10 см, так, чтобы их край едва выглядывал из пробок. В нижнее отверстие малой банки вставляют корок с длинной трубкой, в верхнее — более короткую трубку. Меньшую банку размещаем на большой банке краски так, чтобы отверстие на дне было на противоположной стороне от вентиляционных проходов большой банки.

Результат

В итоге должна получиться следующая конструкция. В малую банку заливается вода, которая через отверстие в дне вытекает в медную трубку. Под спиралью разжигается огонь, который нагревает медную емкость. Горячий пар поднимается по трубке вверх.

Для того чтобы механизм получился завершенным, необходимо присоединить к верхнему концу медной трубки поршень и маховик. В итоге тепловая энергия горения будет преобразовываться в механические силы вращения колеса. Существует огромное количество различных схем для создания такого двигателя внешнего сгорания, но во всех них всегда задействованы два элемента — огонь и вода.

Кроме такой конструкции, можно собрать паровой двигатель Стирлинга своими руками, но это материал для совершенно отдельной статьи.

Схема парового двигателя чертеж | Хитрости Жизни

Так сложилось, что даже люди с техническим образованием мало что знают об этом устройстве. Сегодня мы и восполним этот пробел, вспомним, как устроен паровой двигатель, его принцип действия. Его преимущества, недостатки и применении в современных условиях. И немного о истории изобретения.

Паровая машина кардинально изменила картину мира, произвела революцию в промышленности, на транспорте, дала импульс для новых открытий. Она служила универсальным двигателем на протяжении XIX века, и даже с появлением механизмов, требующих высоких скоростей, не канула в лету. Вместо тихоходной паровой машины ученые разработали быстроходную турбину с одним из самых высоких к.п.д.

История изобретения парового двигателя

Упоминание о первых паровых машинах датировано первым столетием нашей эры. Устройство, описано Героном Александрийским ‒ пар выходил из сопл, закреплённых на шаре, и приводил в движение двигатель.

Правда, настоящая паровая турбина появилась в Египте в 16 веке. Ее изобрел араб Таги-аль-Диноме.

Подобную машину построил 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка. То есть, как только в обществе наступило экономическое благополучие и возникла необходимость в данном механизме, его тот час же изобрели.

В конце 17 века были созданы ещё две модели: в Испании двигатель сконструировал Аянс де Бомонт, а в Англии Эдвард Сомерсет в 1663 году установил паровую установку для закачки воды в Большую башню замка Реглан. Но все проекты быстро сворачивались и забывались. Тогда, как впрочем, и сейчас все новое не воспринималось большинством, и деньги на разработку никто давать не решался.

Паровой котёл создал француз Дени Папен. Он же изобрёл и предохранительный клапан для стравливания избыточного давления. Дело в том, что высокое давление, создаваемое паром, приводило к частым взрывам.

Кстати, в то же время появилось и расхожее выражение: «выпустить пар», которое означало ‒ успокоить нервы, пошумев на окружающих, без сноса собственного котелка и без жертв среди мирного населения.

Но на этом история паровых двигателей не прервалась. Англичанин Томас Ньюкомен в 1712 году сделал шахтный насос для подачи воды на верх. Двигатель Ньюкомена стал пользоваться спросом, с его массового выпуска началась английская промышленная революция.

В России первую паровую машину в 1763 году спроектировал И.И.Ползунов. С ее помощью приводились в действие воздуходувные меха на заводах.

А француз Николас-Йозеф Куньо шесть лет спустя сконструировал первую паровую телегу. Она приводила в движение сельскохозяйственные механизмы.

А в 1788 году Джон Фитч построил пароход, который вмещал 30 человек, и шел со скоростью до 12 километров в час.

В 1804 году на металлургическом заводе в Южном Уэльсе был испытан первый железнодорожный паровой поезд, его построил Ричард Тревитик.

Как устроен паровой двигатель. Принцип действия

Для работы паровой машины потребуется паровой котёл. Поступающий из него пар, расширяется и воздействует на поршень или же на лопатки паротурбины, затем их движение передаётся на другие механические части устройства.

Как устроен паровой двигатель показано на иллюстрации

Движение поршня через шток, ползун, шатун и кривошип передаётся на главный вал, который несет маховик, необходимый для снижения неравномерности вращения.

Эксцентрик, находящийся на главном валу, через эксцентриковую тягу воздействует на золотник, который управляет впуском пара в цилиндре. Пар из цилиндра выбрасывается в атмосферу или направляется в конденсатор.

Чтобы поддерживать постоянное число оборотов вала, при изменении нагрузки, на паровых машинах устанавливают центробежный регулятор, он автоматически изменяет сечение прохода пара, направляемого в паровую машину (при дроссельном регулировании) или момент отсечки наполнения (при количественном регулировании).

Поршень создает в цилиндре парового двигателя одну (две) полости переменного объёма, в них и происходят процессы сжатия и расширения.

Преимущества и недостатки

Основное преимущество паровой машины, как двигателя внешнего сгорания, отделение котла от самой машины. Это дает возможность использовать что угодно в качестве топлива хоть хворост, хоть урановое топливо, что выгодно отличает ее от двигателя внутреннего сгорания ‒ там для каждого типа требуется определённый вид горючего.

Заметнее всего это преимущество в случае с ядерным реактором, который не может производить механическую энергию, а вырабатывает лишь тепло, которое используют для получения пара, вращающего паровые турбины.

В двигателях внешнего сгорания можно использовать и другие источники тепла, например, энергию солнца или энергию разности температур океана на разной глубине.

Интересный факт, паровой локомотив хорошо работает на больших высотах, при чем эффективность двигателя не падает, а, наоборот, растет благодаря низкому атмосферному давлению.

Паровозы и сегодня используют в горной местности Латинской Америки и Китая, при том, что в равнинных районах они давно заменены на более современные типы локомотивов.

Даже в Швейцарии и в Австрии в ходу усовершенствованные тепловозы, работающие на сухом паре. Их разработали на основе модели SLM производства 1930 года. В конструкцию внесли ряд изменений: использовали роликовые подшипники, современную теплоизоляцию, новые виды топлива, специальные паропроводы и ряд других новшеств.

Благодаря этому потребление топлива уменьшилось на 60 процентов, а вес стал ниже, чем у дизельных и электрических аналогов, что актуально для железных дорог, проходящих в горной местности.

Среди других положительных качеств парового двигателя:

• высокая надёжность;
• возможность эксплуатации при значительных колебаниях нагрузки;
• допустимость продолжительных перегрузок;
• долговечность;
• низкие расходы на эксплуатацию;
• простота в обслуживании.

К недостаткам можно отнести:

• наличие кривошипно-шатунного механизма;
• низкий КПД по сравнению с другими типами двигателей.

Применение в настоящее время

Сегодня паровые машины нашли широкое применение в виде паровых турбин, которые работают как приводы электрогенераторов.

Паровая турбина состоит из вращающихся дисков, которые закреплены на одной оси. Этот узел называется ротором. Также есть статор ‒ его неподвижные диски чередуются с дисками ротора. На дисках ротора размещены лопатки, при попадании на них пара, механизм приходит в движение.

Аналогичные лопатки, только расположенные под противоположным углом, есть и на дисках статора. Они служат для перенаправления струи пара на следующий диск ротора.

Турбина преобразует энергию пара во вращательное движение без каких-либо дополнительных механизмов. То есть преобразование возвратно-поступательного хода во вращательное движение делать не нужно.

Также у турбин меньшие размеры нежели у возвратно-поступательных машин, и они отличаются постоянным усилием на выходном валу. Ещё один плюс ‒ простая конструкция, а значит придётся меньше тратить средств на эксплуатацию.

Сфера использования паровых турбин ‒ производство электроэнергии. Более 85 процентов электрической энергии вырабатывают именно паровые турбины. Также их используют как судовые двигатели, в частности на подводных лодках и атомоходах.

Теперь вы знаете, как устроен паровой двигатель, что паровая машина, изобретённая ещё в первом столетии нашей эры, вовсе не анахронизм, а современное высокотехнологичное устройство, благодаря которому жизнь многих людей стала комфортнее.

Перспективы применения паровых машин на автомобилях имеют пока туманные очертания, но творческая мысль изобретателя не имеет границ и я с полной уверенностью могу предположить, что скоро появятся двигатели с элементами парового носителя

Подписывайтесь на наш блог, чтобы узнать много нового и интересного. Поделитесь этой информацией с друзьями в социальных сетях ‒ пусть они повысят свой технический уровень, ну и вам будет приятно иметь умных друзей.

в книге О.Курти «Постройка моделей судов», которую полностью можно скачать тут depositfiles.com/files/3b9jgisv9 есть пара интересных чертежей машин для привода моделей пароходов.
Вот они:

ПАРОВАЯ МАШИНА С КАЧАЮЩИМСЯ ЦИЛИНДРОМ ПРОСТОГО ДЕЙСТВИЯ И ПАРОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ ПЛИТОЙ (С КЛАПАННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ)

Машины этого типа наиболее часто применяют в судомоделизме (рис. 562, а, b). Обычно детали изготовляют из латуни; цилиндр, чтобы не смазывать, — из фосфористой бронзы, а поршень — из стали. Крепят машину на квадратном или прямоугольном фунда­менте в зависимости от места установки в корпусе. На фундамент ставят L-образную стойку, к которой прикрепляют парораспреде­лительную плиту с отверстиями (окнами) для впуска и выпуска пара. Эти окна располагают по дуге, длина которой равна круго­вому пути, проходимому качающимся цилиндром. Цилиндр выпол­няют из куска латунной трубки и припаивают к опорной плите. Посредине плиты и цилиндра имеется отверстие, через которое впускается и выпускается пар. Болт в плите, служащий осью ка­чания цилиндра, имеет пружину. Ее натяжение регулируется гайкой, благодаря чему удается достичь хорошего прилегания опорной плиты к парораспределительной плите.
В поршень, изготовленный из круглого куска бронзы, ввинчи­вают шток и присоединяют его к мотылю болтом с гайкой.
Приводной вал выполняют из круглого стерженька латуни, на концах которого делают нарезку. Один конец вала ввертывают в мотыль, затем вал пропускают через пустотелый винт, поддержи­вающий его в L-образной стойке, а на второй конец навинчивают маховик.
Паровые трубки для подвода и отвода пара делают из латунных или медных трубок и крепят к небольшим штуцерам, которые, в свою очередь, припаяны к парораспределительной плите. Детали паровой машины такого типа имеют следующие средние размеры:
цилиндр: внутренний диаметр — 12—15 мм, длина — 30— 45 мм;
стойка: высота — 40—60 мм, ширина — 40—50 мм;
маховик: диаметр — 35—45 мм, толщина — 12—15 мм;
трубопроводы: 5хб мм (внутренний и внешний диаметры).
На рис. 562, c и d приведена паровая машина, подобная опи­санной, но с цилиндром двойного действия, поэтому на парорас­пределительной плите просверлены еще два небольших отверстия для впуска и выпуска пара, а на цилиндре — второе небольшое отверстие.

Рис. 562. Паровая машина с качающимся цилиндром для модели: a) -конструктивный чертеж; b) – вид по деталям; c) – вид машины с цилиндром двойного действия; d) – принципиальная работа машины с цилиндром двойного действия.
1 – фундаментная плита; 2 – стойка; 3 – плита парораспределительных окон; 4 – деталь крепления впускной и выпускной трубок; 5 – опорная плита крепления цилиндра; 6 – цилиндр; 7 – крышка цилиндра; 8 – поршень; 9 – шток; 10 – мотыль; 11 – пустотелый винт; 12 – приводной вал; 13 – маховик; 14 – пружина с гайкой; 15 – трубка для подвода пара; 16 – трубка для отвода пара; 17 – штуцер для соединения с трубкой подвода пара от котла; 18 – контрольный болт на цилиндре; 19 – выход пара; 20 – подвод пара.

ПАРОВАЯ МАШИНА С НЕПОДВИЖНЫМ ЦИЛИНДРОМ ПРОСТОГО ДЕЙСТВИЯ И ЗОЛОТНИКОВЫМ ПАРОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЕМ

Машина сконструирована так, что ее можно устанавливать как в горизонтальном, так и вертикальном положениях (рис. 563, а). Цилиндр укреплен на фундаментной плите и представляет собой прямоугольный латунный брусок со сквозными отверстиями для поршня, а также для впуска и выпуска пара. В верхней части цилиндра находится парораспределительная коробка с золотни­ком. Сбоку цилиндр закрывают крышкой, устанавливаемой на че­тырех болтах.
Поршень выполняют из куска круглой бронзы. Внутри пор­шень полый. Один конец шатуна соединяют с поршнем при помощи поршневого пальца и двух опорных колец; другой — с цилиндри­ческим латунным мотылем.
Приводной вал вращается в двух опорных латунных подшипни­ках, которые при помощи сквозных болтов закреплены на фунда­менте. На приводном валу кроме мотыля установлен эксцентрик, соединенный со штоком золотника вилкой, причем движение экс­центрика сдвинуто по фазе относительно движения поршня. На конце приводного вала находится маховик. Выполнить золотник, как видно из рис. 563, несложно.
Входные и выходные паровые трубопроводы обычно изготов­ляют из медных или латунных трубок.
Средние размеры деталей машины:
цилиндр: длина — 45—55 мм, высота — 35—45 мм, ширина — 35—45 мм;
фундаментная плита: длина — 100—120 мм, ширина — 65— 85 мм;
маховик: диаметр — 45—50 мм, толщина — 12—15 мм.
трубопроводы: 5×6 мм.
Изменить направление вращения у паровой машины легко, для этого достаточно применить реверсивный клапан (рис. 563, b).

Рис. 563. Паровая машина с золотниковым парораспределителем: а — контруктивный чертеж; b — реверсивный клапан для изменения направления вращения машины; с — детали.
1 — цилиндр; 2 — крышка цилиндра; 3 — поршень; 4 — шатун; 5 — маховик с соединительным болтом для крепления на приводном валу; 6 — цилиндрический мотыль; 7 — крепление опорного подшипника коленчатого вала; 8 — эксцентрик; 9 — поршневой палец; 10 — парораспределительная камера; 11 — золотник; 12 — сальник для уплотнения штока золотника;
13 — уплотнительное кольцо; 14 — шток золотника; ментная плита для горизонтального расположения машины; 15 — приводной вал; 16 — вилка для соединения штока с эксцентриком; 17 — фундаментиая плита для горизонтального расположения машины; 18 — дополнительная опорная плита для вертикального расположения машины;19 — поступление пара; 20 — назад; 21 — вперед; 22 — выход пара.

Паровой двигатель начал свою экспансию еще в начале 19-го века. И уже в то время строились не только большие агрегаты для промышленных целей, но также и декоративные. В большинстве своем их покупателями были богатые вельможи, которые хотели позабавить себя и своих детишек. После того как паровые агрегаты плотно вошли в жизнь социума, декоративные двигатели начали применяться в университетах и школах в качестве образовательных образцов.

Паровые двигатели современности

В начале 20-го века актуальность паровых машин начала падать. Одной из немногих компаний, которые продолжили выпуск декоративных мини-двигателей, стала британская фирма Mamod, которая позволяет приобрести образец подобной техники даже сегодня. Но стоимость таких паровых двигателей легко переваливает за две сотни фунтов стерлингов, что не так и мало для безделушки на пару вечеров. Тем более для тех, кто любит собирать всяческие механизмы самостоятельно, гораздо интереснее создать простой паровой двигатель своими руками.

Устройство двигателя очень простое. Огонь нагревает котел с водой. Под действием температуры вода превращается в пар, который толкает поршень. Пока в емкости есть вода, соединенный с поршнем маховик будет вращаться. Это стандартная схема строения парового двигателя. Но можно собрать модель и совершенно другой комплектации.

Что же, перейдем от теоретической части к более увлекательным вещам. Если вам интересно делать что-то своими руками, и вас удивляют столь экзотичные машины, то эта статья именно для вас, в ней мы с радостью расскажем о различных способах того, как собрать двигатель своими руками паровой. При этом сам процесс создания механизма дарит радость не меньшую, чем его запуск.

Метод 1: мини-паровой двигатель своими руками

Итак, начнем. Соберем самый простой паровой двигатель своими руками. Чертежи, сложные инструменты и особые знания при этом не нужны.

Для начала берем алюминиевую банку из-под любого напитка. Отрезаем от нее нижнюю треть. Так как в результате получим острые края, то их необходимо загнуть внутрь плоскогубцами. Делаем это осторожно, чтобы не порезаться. Так как большинство алюминиевых банок имеют вогнутое дно, то необходимо его выровнять. Достаточно плотно прижать его пальцем к какой-нибудь твердой поверхности.

На расстоянии 1,5 см от верхнего края полученного «стакана» необходимо сделать два отверстия друг напротив друга. Желательно для этого использовать дырокол, так как необходимо, чтобы они получились в диаметре не менее 3 мм. На дно банки кладем декоративную свечку. Теперь берем

Паровой двигатель Тауэра / Хабр

Вместо привычного нам цилиндра в этой паровой машине была сфера. Полая сфера, внутри которой все и происходило.

В сфере вращался и колебался диск, на каждой из сторон которого «перекидывались» туда-сюда четвертинки шара. Как видите, на словах это объяснить невозможно, поэтому гифка:

чуть помедленнее, гифка

Красные стрелки — подача свежего пара, синие — выпуск отработанного.

Валы размещались под углом 135 градусов друг к другу. Пар через отверстие в четвертинке поступал под прижатую к диску плоскость, расширялся (производя полезную работу) и после поворота четвертинки выходил через то же отверстие. Четверти, таким образом, выполняли функции клапанов подачи/удаления пара. Болтающийся диск делал то, что в обычной паровой машине делает поршень. А кривошипно-шатунного механизма не было вовсе, потому не надо было преобразовывать возвратно-поступательное движение во вращательное.

Главный узел:

Пока по одну сторону четвертинки происходил рабочий ход (расширение пара), по другую ее сторону производился холостой ход (выпуск отработанного пара). По ту сторону диска происходило то же самое со сдвигом по фазе на 90 градусов. Из-за взаимного положения четвертинок диску придавалось вращение и колебания.

По сути, это была карданная передача с внутренним источником энергии. Зеленый диск-крестовина карданной передачи совершает такие же вращательно-колебательные движения:

Вращение передавалось на два вала, выходящие из мотора. Снимать энергию можно было с обоих, но на практике, судя по рисункам, для привода использовали один.

Как отмечал французский журнал «La Nature» 1884-го года, сферический двигатель допускал повышенные по сравнению с поршневыми собратьями скорости вращения и, следовательно, хорошо подходил в качестве привода электрогенератора.

Двигатель обладал низкими уровнями шума и вибрации и был очень компактен. Мотор с внутренним диаметром шара 10 см и частотой вращения 500 об/мин при давлении пара 3 атм выдавал 1 лошадиную силу, при 8,5 атм — 2,5 л.с. Самая же большая модель диаметром 63 см обладала мощностью в 624 «лошадки».

Но. Сферический мотор был сложен в изготовлении, требовал больших расходов пара. Он выпускался и некоторое время реально эксплуатировался в качестве привода генераторов в британском флоте и на железных дорогах Great Eastern Railway (устанавливался на паровой котел и служил для электроосвещения вагонов). Однако из-за указанных недостатков не прижился.

P.S. Необходимо заметить, что изобретатель сферического коня двигателя Бошам Тауэр (Beauchamp Tower) не пропал для инженерии.

Судя по всему, он был первым, кто наблюдал «масляный клин» в подшипниках скольжения и измерял давления в нем. Т.е. современное машиностроение пользуется исследованиями мистера Тауэра до сих пор.

Почерпнуто здесь и там.

Альтернативная и малая энергетика на паровом двигателе

 

ПАРОВОЙ РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ и ПАРОВОЙ АКСИАЛЬНО- ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

     Паровой роторный  двигатель   (паровая машина роторного типа) является уникальной  силовой машиной, развитие производства которой до настоящего времени  не получило должного развития.

С одной стороны-  разнообразные конструкции роторных двигателей  существовали ещё в последней трети 19-го века и даже неплохо работали, в том числе и для привода динамо-машин с целью выработки электрической энергии и электроснабжения всяких объектов.  Но качество и точность изготовления таких  паровых двигателей (паровых машин) было весьма примитивным, поэтому они  имели  малый КПД  и невысокую мощность.   С тех пор малые паровые машины  ушли в прошлое, но вместе  с действительно малоэффективными  и бесперспективными  поршневыми паровыми машинами в прошлое ушли и имеющие хорошую перспективу паровые роторные двигатели.

Главная причина- на уровне технологий конца 19-го века  сделать действительно качественный, мощный и долговечный роторный двигатель не представлялось возможным.
Поэтому из всего многообразия паровых двигателей и паровых машин  до нашего времени благополучно и активно дожили лишь паровые турбины огромной мощности (от 20 мВт и выше), на которых  сегодня осуществляется около 75%  выработки электроэнергии в нашей  стране. Еще паровые турбины большой мощности дают энергию от  атомных реакторов в боевых подводных лодках-ракетоносцах и на больших арктических ледоколах.  Но это все огромные машины. Паровые турбины резко теряют всю свою эффективность  при уменьшении их размеров.

…. Именно поэтому  силовых паровых машин и паровых двигателей мощности ниже 2000 — 1500 кВт (2 — 1,5 мВт), которые бы эффективно  работали  на паре, получаемом от  сжигания дешевого твердого топлива и различных бесплатных  горючих отходов, сейчас в мире нет.
Вот  в этой –то пустой сегодня области техники (и абсолютно голой, но очень нуждающейся в  товарном предложении коммерческой нише),  в этой рыночной нише силовых машин небольшой мощности,  могут и должны занять своё очень достойное  место  паровые роторные двигатели. И потребность в них только  в нашей стране — на десятки и десятки тысяч… Особенно такие малые и средние по мощности силовые машины  для автономное электрогенерации и независимого электроснабжения нуждаются малые и средние предприятия в отдаленных от больших городов и крупных электростанций местностях: — на малых лесопилках, отдаленных приисках, на полевых станах и  лесных делянках, и пр. и др.
…..

..
Давайте рассмотрим  показатели, из-за которых   паровые роторные двигатели  оказываются лучше, чем их ближайшие сородичи  — паровые машины в образе поршневых паровых   двигателей и паровых  турбин.
…— 1) Роторные двигатели являются силовыми машинами объемного расширения – как поршневые двигатели. Т.е. они обладают небольшим потреблением пара на единицу  мощности, потому что пар подается в их рабочие полости время от времени, и строго дозированными порциями, а не  постоянным обильным потоком, как в паровых турбинах.  Именно поэтому  паровые роторные двигатели гораздо экономичнее паровых турбин на единицу выдаваемой мощности.
  —  2)  Роторные паровые двигатели имеют  плечо приложения действующих газовых сил (плечо крутящего момента) значительно (в разы) больше, чем  поршневые паровые двигатели. Поэтому  развиваемая ими мощность гораздо выше, чем у  паровых поршневых машин.
 —   3)  Паровые роторные двигатели имеют гораздо  большее рабочий ход, чем поршневые паровые двигатели,  т.е. имеют возможность  переводить  большую часть  внутренней  энергии пара в  полезную работу.
 —  4)  Паровые роторные двигатели  могут эффективно работать на насыщенном (влажном) паре, без  затруднений допускать  конденсацию  значительной части пара  с переходом её в воду прямо в рабочих секциях парового роторного двигателя.  Это так же повышает КПД работы паросиловой установки с использованием   парового роторного двигателя.
 —  5) Паровые роторные двигатели  работают  на оборотах в 2-3 тыс.  оборотов в минуту, что является оптимальной частотой вращения для выработки электричества, в отличие от слишком тихоходных поршневых двигателей (200-600 оборотов в минуту) традиционных паровых машин паровозного типа, или от слишком быстроходных турбин (10-20 тыс. оборотов в минуту).

При этом технологически паровые роторные двигатели относительно просты в изготовлении, что  делает затраты на их изготовление относительно невысокими.   В отличие от крайне дорогостоящих в производстве паровых турбин.

ИТАК, КРАТКИЙ ИТОГ ЭТОЙ СТАТЬИ —  паровой роторный двигатель является весьма эффективной паровой силовой машиной для  преобразования  давления пара от тепла сгорающего твердого топлива и  горючих отходов  в механическую мощность и в электрическую энергию.

 

 

Автором  настоящего сайта, уже  получены более 5 патентов на изобретения по  разным  аспектам  конструкций  паровых роторных двигателей. А так же произведено некоторое количество небольших роторных двигателей  мощностью от 3 до 7 кВт. Сейчас идет проектирование паровых роторных двигателей мощностью от 100 до 200 кВт.
Но у роторных двигателей есть «родовой недостаток» — сложная система уплотнений, которые для маленьких по размерам двигателей оказываются слишком сложными, миниатюрными и дорогими в изготовлении.

В 2016-18 гг я сделал и испытал несколько моделей поршневых опозитных и аксиально поршневых моторов.. Данные компоновки представлялись наиболее энерго — производительной по мощности вариацией из всех возможных схем применения поршневой системы.  Внизу размещено видео использования маленького аксиально-поршневого оппозитного двигателя с встречным движением поршней.

 

Но по итогам работы сделан вывод- что общий итог работы с поршневыми двигателями- неудовлетворителен. Почему такой вывод-для этого нужно писать целую большую почти научную работу, с материалами на несколько кандидатский диссертаций….   Главное- что поршневые двигатели не могут работать без смазки. А настоящий паровой двигатель (как паровая турбина) должен работать без смазки.  Ибо при температуре перегретого пара в 350-380 град- любая смазка тут же обуглится.   И такой плохой результат был получен на материалах высокого качества — так  пара трения «поршень- цилиндр» — подвергнута ионно -плазменному азотированию в вакуумной среде и твердость поверхностей трения составляет 62-64 ед по HRC.  Подробно о процессе упрочения поверхности методом азотирования смотри ТУТ.

Вот анимация принципа работы похожего по компоновке  такого аксиально- поршневого оппозитного двигателя с встречным движением поршней

 

Первые пуски малого парового роторного двигателя

 

…..Многие посетители моего сайта спрашивают — а каково потребление твердого топлива в таких малых паро-силовых установках а единицу мощности?
…. Отвечаю — на угле на 1 квт-час выработки электричества идет  расход примерно 1,2 — 1,3 кг угля, или 1,6 — 2 кг дров, щепы, опила — в зависимости от их влажности.

 

                                                 . МАТЕРИАЛЫ — МАЙ 2020 г.

Видео ролик с работой парового роторного двигателя.

 

*        *       *

Следующая страница — «Паровые Машины Прошлого».

Перейти   –                      страница о «Твердом Топливе»

Как работают паровые машины?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 25 июля 2019 г.

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 железные дороги.

Паровозы приводились в движение паровыми двигателями и заслуживают того, чтобы быть запомнились, потому что они охватили мир через промышленные Революция 18-19 веков. Паровозы занимают место 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 точно они работают?

На фото: небольшой, недавно отремонтированный паровоз. работает на железной дороге Суонедж, Англия.Great Western Railway 0-6-2 Танк 6695 был спасен со свалки в 1979 году, и потребовалось 26 лет, чтобы восстановить его до полного рабочего состояния за счет 200 000 фунтов стерлингов (примерно 400 000 долларов США).

Что приводит в действие паровой двигатель?

Чтобы сделать что угодно, требуется энергия можно придумать — кататься на скейтборде, чтобы летать на самолете, ходить в магазины или кататься 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 злополучным паровозам, 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 попадают под камни, 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 на 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 тепловой машиной. Это немного похоже на гигантский чайник, стоящий на угле костра. Тепло от огня кипятит воду в чайнике и превращает ее в пар. Но вместо того, чтобы бесполезно взорваться в 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 частей:

1. Пожар, в котором горит уголь.
2. Котел, наполненный водой, которую огонь нагревает для получения пара.
3. Цилиндр и поршень, скорее как велосипедный насос, но очень больше. Пар из котла поступает 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 вождения…
4. Станок с поршнем. 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 локомотив.

Пошаговая инструкция

Проще всего увидеть, как все работает, в нашей маленькой анимации. паровоза, внизу. В кабине локомотива загружаешь уголь в топку (1), что вполне буквально металлический ящик содержащий ревущий уголь.Огонь нагревает котел — «великан чайник »в локомотиве.

Котел (2) в паровозе не очень похоже чайник, который можно использовать, чтобы заварить чай, 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 проходят от топки к дымоходу, неся тепло и дым от 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. (Тендер также включает локомотивную поставку 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 называется кривошип и шатун (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. Импульс поезда (тенденция продолжать движение) несет в себе поверните вперед, толкая 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 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 пар 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 все 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. На самом деле есть сложная коллекция блестящих рычагов, скользящих вперед и назад с тщательной точность. Это называется клапанной передачей. Его работа открывать и закрывать клапаны цилиндров в нужный момент, чтобы позволить пар поступает с обоих концов, чтобы двигатель работал максимально эффективно и мощно, 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 второй фотографии на этой странице изображен клапанный механизм типа Walschaerts, и Эддистон, локомотив, изображенный ниже.

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

Первые паровые машины были очень большими и неэффективными, что означает 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 и сильнее, поэтому он выдавливается с большей силой и задул поршень сильнее. Дополнительная сила высокого давления пар 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, чтобы пополнить счет 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 лежит на наклонной тарелка 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.

Действительно ли умер пар?

Уголь был дешевым и доступным топливом в период раннего промышленного развития. Революция, но изобретение бензинового двигателя (бензиновый двигатель) в середине XIX века ознаменовал собой 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 распространяются от огня, через котел в цилиндр.Бензиновые и дизельные двигатели имеют совершенно другую конструкцию, которая называется 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, делает меньше загрязнение воздуха, и его намного легче транспортировать по трубам.

Во многом именно поэтому паровозы исчезли с наших железных дорог — тепловозы были в целом удобнее.Требуются часы, чтобы запустить паровой двигатель, прежде чем вы сможете его использовать; ты можешь 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 завод 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 паровозы здесь построили в 1956 году, а последний паровоз ходил в августе 1968 года.К 1968 году количество локомотивов в эксплуатации было примерно на треть меньше, чем в 1962 году, но перевозилось столько же грузов: дизель-электрическая железнодорожная система, очевидно, была намного эффективнее. Источник: построено с использованием данных из «The Performance of British Railways 1962–1968» C.D. Jones, 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 ветряки, 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 столь же важен, как никогда!

На фото: некоторые паровые машины, работающие на традиционных линиях. были еще относительно новыми, когда 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. Удивительно 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:

• 1 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 (ок.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.Улучшения Ватта Newcomen’s 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 осознает важность пара высокого давления и создает более чем 50 паровых машин.
• 1807: американский инженер Роберт Фултон (1765–1815) пробеги первое пароходное сообщение по реке Гудзон.
• 1819: Океанский пароход «Саванна». пересекает Атлантический океан 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 тяжеловозы, а пассажиров перегоняют в конных экипажах.
• 18:30: 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 питания 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 до появления дизельных двигателей корабли тоже были с паровыми двигателями. Это прекрасно отреставрированный PS Waverley, последний океанский пароход в мире, построенный в 1947 году и прибывший на пирс Суонедж в сентябре 2009 года.

.

паровой двигатель | Определение, история, влияние и факты

Паровой двигатель , машина, использующая энергию пара для выполнения механической работы за счет тепла.

Паровая машина Жана-Жозефа-Этьена Ленуара. Архив Халтона / Getty Images

Британская викторина

Гаджеты и технологии: факт или вымысел?

Голограммы часто встречаются на кредитных картах.

Далее следует краткое описание паровых машин. Для полной обработки мощности и производства пара, а также паровых двигателей и турбин, см. Преобразование энергии: Паровые двигатели .

В паровой машине горячий пар, обычно поставляемый котлом, расширяется под давлением, и часть тепловой энергии превращается в работу. Остаточному теплу можно дать уйти или, для максимальной эффективности двигателя, пар может конденсироваться в отдельном устройстве, конденсаторе, при сравнительно низких температуре и давлении.Для обеспечения высокого КПД пар должен проходить через широкий диапазон температур в результате его расширения внутри двигателя. Наиболее эффективная работа — то есть наибольшая производительность работы по отношению к поданному теплу — обеспечивается за счет использования низкой температуры конденсатора и высокого давления в котле. Пар можно дополнительно нагреть, пропустив его через перегреватель на пути от котла к двигателю. Обычный пароперегреватель представляет собой группу параллельных труб, поверхности которых подвергаются воздействию горячих газов в топке котла.С помощью пароперегревателей пар может быть нагрет до температуры, превышающей температуру, при которой он вырабатывается кипящей водой.

В поршневом двигателе, паровом двигателе поршневого и цилиндрового типа, пар под давлением впускается в цилиндр с помощью клапанного механизма. Когда пар расширяется, он толкает поршень, который обычно соединен с кривошипом маховика для создания вращательного движения. В двигателе двойного действия пар из котла попадает попеременно с каждой стороны поршня. В простом паровом двигателе расширение пара происходит только в одном цилиндре, тогда как в составном двигателе имеется два или более цилиндров увеличивающегося размера для большего расширения пара и более высокой эффективности; первый и самый маленький поршень приводится в действие паром начального высокого давления, а второй — паром низкого давления, выходящим из первого.

Britannica Premium: удовлетворение растущих потребностей искателей знаний. Получите 30% подписки сегодня. Подпишись сейчас

В паровой турбине пар выпускается с высокой скоростью через сопла, а затем проходит через ряд неподвижных и движущихся лопастей, заставляя ротор двигаться с высокой скоростью. Паровые турбины более компактны и обычно допускают более высокие температуры и большую степень расширения, чем поршневые паровые двигатели. Турбина — универсальное средство, используемое для выработки большого количества электроэнергии с помощью пара.

Самые ранние паровые машины были научными новинками Героя Александрии в I веке нашей эры, такими как эолипил, но только в 17 веке были предприняты попытки использовать пар в практических целях. В 1698 году Томас Савери запатентовал насос с ручными клапанами для подъема воды из шахт за счет всасывания за счет конденсации пара. Примерно в 1712 году другой англичанин, Томас Ньюкомен, разработал более эффективную паровую машину с поршнем, отделяющим конденсирующийся пар от воды.В 1765 году Джеймс Ватт значительно улучшил двигатель Ньюкомена, добавив отдельный конденсатор, чтобы избежать нагрева и охлаждения цилиндра при каждом такте. Затем Ватт разработал новый двигатель, который вращал вал вместо простого движения насоса вверх и вниз, и добавил много других улучшений для создания практичной силовой установки.

Вращающийся паровой двигатель Джеймса Ватта с солнечно-планетной передачей, оригинальный рисунок, 1788 год. В Музее науки, Лондон. Авторское право Британской короны, Музей науки, Лондон

Громоздкий паровой вагон для дорог был построен во Франции Николасом-Жозефом Куньо еще в 1769 году.Ричард Тревитик в Англии был первым, кто использовал паровой экипаж на железной дороге; в 1803 году он построил паровоз, который в феврале 1804 года успешно проехал по конному маршруту в Уэльсе. Адаптация парового двигателя к железным дорогам стала коммерчески успешной с выпуском Rocket английского инженера Джорджа Стефенсона в 1829 году. Первым практичным пароходом был буксир Charlotte Dundas, , построенный Уильямом Симингтоном и опробованный на канале Форт и Клайд. Шотландия, 1802 год.Роберт Фултон применил паровой двигатель на пассажирском судне в Соединенных Штатах в 1807 году.

Паровой двигатель Корлисса вырабатывал всю энергию, использованную в Машинном зале на Столетней выставке в Филадельфии, 1876 год. Библиотека Конгресса, Вашингтон, округ Колумбия

Хотя паровая машина уступила место двигателю внутреннего сгорания как средству движения транспортных средств, интерес к нему возродился во второй половине 20-го века из-за возрастающих проблем с загрязнением воздуха, вызванных сжиганием ископаемого топлива в двигателях внутреннего сгорания.

.

Кто изобрел паровой двигатель?

В мире, где движутся двигатели внутреннего сгорания, газовые турбины и ядерные реакторы, паровой двигатель может показаться пережитком прошлого. Но без этого изобретения, меняющего правила игры, современный мир был бы совсем другим.

Паровая машина, пожалуй, самое важное событие промышленной революции, способствовала значительным достижениям в области горнодобывающей промышленности, производства, сельского хозяйства и транспорта. И хотя несколько выдающихся деятелей XVIII и XIX веков приписывают разработку и улучшение парового двигателя, история паровых машин на самом деле восходит к почти 2000 годам до промышленной революции.

Древние паровые турбины

В начале первого века нашей эры греческий изобретатель по имени Герой Александрийский сконструировал первую в мире эолипильную или примитивную паровую турбину. Эолипил Герона состоял из полой сферы, закрепленной на паре трубок. Нагретые снизу огнем трубы транспортируют пар к сфере, где он выпускается через другую серию трубок, выступающих из экватора сферы. Это движение пара через устройство заставляло сферу вращаться, демонстрируя возможность использования пара в качестве двигателя.

Хотя эолипил Hero был создан как новинка, а не как средство ускорения производства, тем не менее, это первое известное устройство для преобразования пара во вращательное движение. Но только в 17 веке были предприняты попытки использовать силу эолипила Герона для практических целей.

В первом веке нашей эры герой Александрии изобрел эолипил, или примитивную паровую турбину. (Изображение предоставлено: общественное достояние.)

Steam: идеальное решение

Первые практические паровые двигатели были разработаны для решения очень специфической проблемы: как удалить воду из затопленных шахт.Поскольку европейцы 17 века перешли с древесины на уголь в качестве основного источника топлива, шахты углублялись и, как следствие, часто затоплялись после проникновения в подземные источники воды.

Считается, что испанский горнодобывающий администратор по имени Херонимо де Аянц был первым, кто решил проблему затопленных шахт. В 1606 году де Аянц зарегистрировал первый патент на машину, которая использовала энергию пара для вытеснения воды из шахт. Испанский изобретатель, которому также приписывают изобретение одной из первых в мире систем кондиционирования воздуха, использовал свой паровой двигатель для удаления воды из серебряных рудников на Гуадалканале, Севилья.

Хотя испанец первым запатентовал паровую машину для использования в горнодобывающей промышленности, англичанину обычно приписывают изобретение первой паровой машины. В 1698 году Томас Савери, инженер и изобретатель, запатентовал машину, которая могла эффективно забирать воду из затопленных шахт с помощью давления пара. Savery использовал принципы, изложенные Дени Папеном, британским физиком французского происхождения, который изобрел скороварку. Идеи Папена, касающиеся цилиндро-поршневой паровой машины, ранее не использовались для создания работающего двигателя, но к 1705 году Савери превратил идеи Папена в полезное изобретение.

Используя два паровых котла, Savery разработал почти непрерывную систему откачки воды из шахт. Но, несмотря на ранний успех системы Савери, вскоре было обнаружено, что его двигатель способен забирать воду только с небольшой глубины — проблема, которую необходимо было преодолеть, если паровые машины должны были работать в глубоких шахтах.

К счастью для европейских владельцев шахт, в 1711 году другой англичанин, Томас Ньюкомен, разработал лучший способ откачки воды из шахт. Его система использовала модернизированный паровой двигатель, который устранил необходимость в накопленном давлении пара — недостаток в системе Савери, который приводил ко множеству неудачных взрывов.«Атмосферный» двигатель Ньюкомена — названный так потому, что уровень давления пара, который он использовал, приближался к атмосферному, — был первой коммерчески успешной машиной, которая использовала пар для работы водяного насоса.

Несмотря на то, что это усовершенствование первоначального рендеринга парового двигателя Savery, атмосферный двигатель Ньюкомена также имел свои недостатки. Эта машина была крайне неэффективной, требуя постоянного потока холодной воды для охлаждения важнейшего парового цилиндра (части двигателя, где давление пара преобразуется в движение), а также постоянного источника энергии для повторного нагрева цилиндра.

Несмотря на этот серьезный недостаток, конструкция двигателя Ньюкомена не подвергалась сомнению в течение следующих 50 или около того лет и, помимо откачки шахт, также использовалась для осушения водно-болотных угодий, подачи воды в города и даже для электростанций и заводов путем откачки воды. снизу водяное колесо наверх для повторного использования.

В 1698 году Томас Савери запатентовал машину, которая могла эффективно забирать воду из затопленных шахт с помощью давления пара. (Изображение предоставлено: общественное достояние.)

Энергия промышленной революции

Но к 1765 году судьба двигателя Ньюкомена была решена.В том же году Джеймс Ватт, шотландский производитель инструментов, работавший в Университете Глазго, начал ремонт небольшой модели двигателя Ньюкомена. Ватт был озадачен большим количеством пара, потребляемого машиной Ньюкомена, и понял, что для устранения этой неэффективности ему придется покончить с постоянным охлаждением и повторным нагревом парового цилиндра.

Для этого Уотт разработал отдельный конденсатор, который позволил поддерживать постоянную температуру в паровом цилиндре и значительно улучшил функциональность двигателя Ньюкомена.

По финансовым причинам Ватт не смог сразу произвести свой новый улучшенный атмосферный двигатель. Но к 1776 году он заключил партнерство с Мэтью Бултоном, английским производителем и инженером, твердо настроенным на использование паровых двигателей не только для перекачки воды из шахт.

При финансовой поддержке Бултона Ватт разработал роторный паровой двигатель одностороннего действия (а позже и двойного действия), который, наряду с фирменным отдельным конденсатором Ватта, имел механизм параллельного движения, который удваивал мощность существующего парового цилиндра.Двигатель Boulton-Watt был также первым, который позволил оператору машины управлять частотой вращения двигателя с помощью устройства, называемого центробежным регулятором. В улучшенном двигателе использовалась новая зубчатая передача, разработанная сотрудником Бултона и Уоттса Уильямом Мердоком, известная как солнечная и планетарная передача, для преобразования возвратно-поступательного (линейного) движения во вращательное движение.

Усовершенствования Ватта в паровой машине в сочетании с видением Бултоном страны, работающей на паре, способствовали быстрому внедрению паровых двигателей в Соединенном Королевстве и, в конечном итоге, в Соединенных Штатах.К 1800-м годам паровые машины приводили в действие фабрики, фабрики, пивоварни и множество других производственных предприятий. В 1852 году состоялся первый полет парового дирижабля. Будущие версии парового двигателя также стали определять путешествия, поскольку поезда, лодки и железные дороги переняли эту технологию для продвижения пассажиров в 20-м веке. [См. Также: Как Steam Engine изменил мир]

Следите за Элизабет Палермо в Twitter @techEpalermo, Facebook или Google+. Следите за LiveScience @livescience.Мы также в Facebook и Google+.

.

Как паровой двигатель изменил мир

Каждый понедельник эта колонка переворачивает страницу истории, чтобы исследовать открытия, события и людей, которые продолжают влиять на историю, создаваемую сегодня.

Вполне естественно, что первым человеком, который изобрел работающий паровой двигатель, будет человек по имени Герой.

Шестнадцать веков спустя после того, как древнегреческий ученый впервые упомянул о неиспользованной силе пара, технология станет героем и двигателем промышленной революции.

Когда он был усовершенствован учеными 18 века, такими как Джеймс Ватт, сила пара преодолела ограничения использования относительно слабых людей или уставших лошадей для выполнения тяжелой работы и ускорила производство с невиданной ранее скоростью.

Испытывают препятствия звери

Средние века обычно не ассоциируются с промышленностью, но в обществах по всей Европе, на Ближнем Востоке, в некоторых частях Азии и Африки действительно были фабрики и производственные предприятия, хотя и медленно работающие.

Текстильное производство, например, было оживленным промыслом, но ему приходилось иметь дело с географическим разделением пасущихся овец, которые давали шерсть, водяных мельниц, построенных вдоль горных ручьев, и городов, где ткань покупалась на рынке. Вьючные лошади или мулы, которые перевозили товары между собой, были дорогими и замедлялись из-за веса их груза. Лошадей также использовали, чтобы таскать ведра с водой из затопленных шахт, но для поддержания их в хорошей форме требовались частые перерывы и тщательный уход.

Тем не менее, вьючные животные, возможно, остались бы предпочтительным механизмом, если бы не британские стеклоделы 17-го века, которым требовалось огромное количество угля для поддержания горения своих горячих печей.

Система конных шкивов, использовавшаяся для осушения угольных шахт, оказалась недостаточно медленной в удовлетворении потребностей стеклодувов в ископаемом топливе, и были прибыльные награды для всех, кто мог разработать лучший способ осушения шахт. Ученые начали серьезно заниматься паром в начале 1600-х годов, и, как и большинство изобретений того времени, это были коллективные усилия, которые в конечном итоге привели к созданию первого работающего парового двигателя.

В 1698 году британский изобретатель Томас Савери запатентовал паровой насос, который он описал как «двигатель для подъема воды с помощью огня». Самый простой двигатель Savery использовал пар для создания вакуума и вытягивания воды вверх по трубе — теория, которая существовала несколько столетий, но так и не была успешно применена. Технология была усовершенствована с помощью поршней и цилиндров кузнецом Томасом Ньюкоменом и снова Ваттом в середине 18 века.

К тому времени репутация быстрого двигателя набирала обороты далеко за пределами горнодобывающих кругов, перемещаясь в другие области промышленности от металлообработки до текстиля, где он был адаптирован к системе вращающихся колес, распространенной на европейских заводах.

Подкованный бизнесмен, Ватт продавал свою машину, рассчитывая количество лошадиных сил, которые должен заменить его двигатель, придумав при этом термин «лошадиные силы».

Революция начинается всерьез

Одновременное совершенствование паровой машины и начало промышленной революции — это сценарий курицы и яйца, который историки давно обсуждают. Они утверждают, что мир становился индустриализированным местом до появления энергии пара, но без него никогда бы не развился так быстро.

Заводы, которые все еще использовали энергию ветра или воды для привода своих машин во время промышленной революции, были ограничены определенными территориями; пар означал, что фабрики можно было строить где угодно, а не только вдоль быстрых рек.

Эти фабрики получили выгоду от одного из крупнейших в мире партнерских отношений — британского производителя Ватта и Мэтью Бултона. Вместе они адаптировали паровой двигатель Ватта для любой компании, которая могла бы его использовать, накопив себе огромные состояния, но также делясь исследованиями на огромных расстояниях.

Транспорт был одним из тех важных бенефициаров. К началу 1800-х годов паровые двигатели высокого давления стали достаточно компактными, чтобы выйти за пределы завода, что привело к появлению первого паровоза в Великобритании в 1804 году. Впервые в истории товары перевозились по суше кем-то кроме мышц человека или животного.

Соединенные Штаты были пионерами в области судоходства, поставив на воду пассажирский пароход в 1807 году.

Это знаменательное путешествие — 150-мильное путешествие из Нью-Йорка в Олбани на корабле под названием The Clermont — заняло 32 часа.Возможно, это было причиной последовавшего за этим бума железнодорожных перевозок.

.