Паровая машина принцип действия: Устройство и принцип действия паровых машин

Рис. 10. 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

Рис. 11. Паровоз

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

• Пароход;
• Сухопутные транспортные средства:
• Паровой автомобиль;
• Паровоз;
• Локомобиль;
• Паровой трактор;
• Паровой экскаватор, и даже;
• 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.При этом паровая машина паровоза продолжает развивать тяговое усилие даже в случае остановки колёс (упор в стену), чем отличается от всех других видов двигателей, используемых на транспорте.

Коэффициент полезного действия

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

η_th=W_out/Q_in,

где W_out — механическая работа, Дж; Q_in — затраченное количество теплоты, Дж.

Тепловой двигатель не может иметь КПД больший, чем у цикла Карно, в котором количество теплоты передается от нагревателя с высокой температурой к холодильнику с низкой температурой. КПД идеальной тепловой машины Карно зависит исключительно от разности температур, причём в расчётах используется абсолютная термодинамическая температура. Следовательно, для паровых двигателей необходимы максимально высокая температура T₁ в начале цикла (достигаемая, например, с помощью пароперегрева) и как можно более низкая температура T₂ в конце цикла (например, с помощью конденсатора): η_th≤1-T₂/T₁

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° C.

Опубликованные материалы на сайте СМИ «Солнечный свет». Статья Тепловые машины на уроках физики. Автор: Ивлева Татьяна Ивановна.

Автор: Ивлева Татьяна Ивановна
     Раздел физики, изучающий общие законы тепловых явлений, называется термодинамикой. Термодинамика имеет большое значение для разработки и создания тепловых двигателей, широкое применение которых изменило ход мировой истории.

     Тепловые двигатели – машины, производящие механическую работу в результате обмена теплотой с окружающими телами.Материалы данного исследования могут быть использованы на уроках физики при изучении вопросов: «Принцип действия  тепловых двигателей», «Значение тепловых двигателей», при оформлении стенной газеты «Машина времени», на проводимых в школе «днях науки», на факультативных занятиях по физике.  

История паровых машин на уроках физики

Зарипов Артем

11 класс, Нижнетагильская ВШ № 27, г. Нижний Тагил

Руководитель: учитель физики Ивлева Т. И.

Раздел физики, изучающий общие законы тепловых явлений, называется термодинамикой. Термодинамика имеет большое значение для разработки и создания тепловых двигателей, широкое применение которых изменило ход мировой истории.

Тепловые двигатели – машины, производящие механическую работу в результате обмена теплотой с окружающими телами[ 8].

Так, мощный расцвет промышленности в 19 веке был связан с изобретением первого теплового двигателя – паровой машины.

Цель исследования заключалась в изучении принципа действия и истории создания паровой машины. Материалы данного исследования могут быть использованы на уроках физики при изучении вопросов: «Принцип действия тепловых двигателей», «Значение тепловых двигателей», при оформлении стенной газеты «Машина времени», на проводимых в школе «днях науки», на факультативных занятиях по физике.

Разработка и объяснения принципа действия тепловых машин основывается на двух началах термодинамики. В основе работы тепловых машин лежат замкнутые термодинамические циклы.

Вначале паровая машина предназначалась для использования в заводском производстве, но позднее паровой двигатель стали устанавливать на самодвижущихся машинах – паровозах.

Паровоз — автономный локомотив с паросиловой установкой, то есть использующий в качестве двигателя паровую машину. Паровозы были первыми передвигающимися по рельсам тяговыми транспортными средствами. Паровоз состоит из трёх основных частей: котла, паровой машины и экипажной части.

Используя материалы книг, составили хронологическую таблицу создания первых тепловых машин и парового транспорта:

Первый паровоз в России был построен в 1833—1834 гг. уральским крепостным механиком Ефимом Алексеевичем Черепановым и его сыном Мироном Ефимовичем на Нижнетагильском заводе целиком из отечественных материалов.

Он выгодно отличался от зарубежных паровозов оригинальными удачными конструктивными решениями.

Пятый номер «Горного журнал» за 1835 год приводит сведения о технических характеристиках паровоза[9,10].

При постройке паровоза русские механики внесли много технических новшеств, которые впоследствии нашли применение в паровозостроении: большую трубчатую поверхность нагрева котла, паровоз двигался не только вперед, но и назад.

Изготовление второго паровоза более мощного, перевозивший тысячу пудов (около 16, 4 т) груза, со скоростью до 16,4 км/ч закончили в марте 1835 г. У второго паровоза были несколько увеличены размеры котла и цилиндров, что позволило поднять мощность с 30 до 40 л. с. В отличие от первого паровоза, у второго колёса имели меньший диаметр.

Чертеж второго паровоза Черепановых

Очень важно, что в Нижнем Тагиле есть места, в которых всегда можно увидеть и узнать больше о замечательных изобретателях. Это, историко-краеведческий музей, у входа которого красуется макет первого паровоза, а в экспозиции рассказывается об исторических реалиях времени, когда он был изобретен.

И, безусловно, центром, где буквально витает дух изобретательства, является историко-технический музей «Дом Черепановых», экспозиция которого рассказывает о тагильских изобретателях. Там открылась выставка «Пароходных дел мастер», посвященная 210-летию Мирона Ефимовича Черепанова, где можно узнать о его разносторонней деятельности, увидеть мемориальные вещи этой семьи. И самое главное, здесь можно не только увидеть и узнать, но и самим попробовать сделать модель первого русского паровоза на мастер-классе по моделированию.

Макеты первого паровоза Черепановых можно увидеть в нижнетагильском краеведческом музее, Политехническом музее (Москва), в музее истории науки и техники Свердловской железнодорожной магистрали (Екатеринбург)

Сохраняются памятные места и здания, связанные с деятельностью изобретателей. Так на доме, где жила семья Черепановых, установлена мемориальная доска, горно-металлургический техникум носит имя изобретателей. Памятник Черепановым стоит на центральной площади города Нижнего Тагила.

Сейчас паровоз Черепановых – это яркий бренд Нижнего Тагила [9].

В 2016 году отмечается 182 года первому российскому паровозу.

Тепловые двигатели играют важную роль и в наше время. Без них невозможно представить себе ни жизнь современного общества, ни жизнь людей в будущем.

Литература:

1. Боголюбов А. Н. Творение рук человеческих. Естественная история машин. М.: Знание, 1988.

2. Васютинский В. Ф. Хранители «старого соболя». – Свердловск: Сред.-Урал. кн. изд-во, 1990.

3. Генденштейн Л. Э., Дик Ю. И. Физика. 10 кл.: Учебник базового уровня для общеобразоват. Учебн. Заведений.- 2-е изд.- М.: Илекса, 2007.

4. Глазунов А. Т. Техника в курсе физики средней школы. М., «Просвещение», 1977.

5. Книга для чтения по физике: Учеб. пособие для учащихся 6-7 кл. сред. шк. /Сост. И. Г. Кириллова.-2-е изд., перераб. – М.: Просвещение, 1986.

6. Раков В. А. Локомотивы отечественных железных дорог (1845—1955), М.:Транспорт, 1995.

7. Физика – юным: Теплота. Электричество. Кн. для внеклассного чтения. 7 кл./Сост. М. Н. Алексеева. – М.: Просвещение, 1980.

8. Элементарный учебник физики: Учеб. пособие. В 3 т. / Под ред.Г. С. Ландсберга: Т. 1. Механика. Теплота. Молекулярная физика. – 11-е изд. – М.: Наука. Физматлит, 1995.

9. http://www.tagilvariant. ru/news/culture/edet_edet_parovoz/

10. http://ru.wikipedia

11. http://historyntagil.ru/2_19_34.htm

Джеймс Уатт и его паровая машина: описание, принцип действия

Джеймс Уатт был тем, чья работа стала кульминационной в промышленной революции для Англии и всего мира. Инженер и изобретатель из Шотландии занимался усовершенствованием машины Ньюкомена, в результате чего изобрел свой двигатель универсального назначения.

Ранние годы

Джеймс Уатт родился в семье строителя кораблей и создателя различных механизмов Джеймса. Его мать, Агнес, была представительницей богатого рода, в свое время она получила отличное образование.

На свет будущий изобретатель появился 19.01.1736 г. Мальчик родился очень болезненным, поэтому начальное образование получал дома от родителей. Ребенок не мог играть со сверстниками из-за слабого здоровья, поэтому основную часть своего времени он тратил на самообразование.

В подростковом возрасте его любимыми предметами были астрономия и химия. Также он любил изготавливать модели механизмов, которые создавал его отец.

По достижении возраста выпускника начальной школы Джеймс поступил в гимназию. Он демонстрировал большие успехи в математике. Юноша любил читать и многое из этого он стремился проверить на практике.

В восемнадцатилетнем возрасте юноша потерял мать. Это отразилось на здоровье и делах отца, поэтому Джеймсу пришлось заботиться о себе самостоятельно. Молодой человек на год переехал из Шотландии в Лондон, чтобы обучиться ремеслу, которое имело отношение к измерительным приборам. Официальное обучение должно было проходить на протяжении семи лет, но денег у Джеймса хватило лишь на один год. Начал он свое обучение с изготовления линеек и циркулей. В скором времени молодой ученик уже мог изготавливать квадранты, геодолиты и другие сложные инструменты.

За этот год юноша практически не выходил на улицу. Все время он работал: по утрам — на хозяина, а вечерами — на заказ. Так он мог прокормить себя. К тому же из-за того, что он не числился официальным учеником, на улице его могли насильно забрать в военный флот.

Первая работа

Окончив обучение, Джеймс Уатт с ослабленным здоровьем вернулся в Шотландию. Он решил организовать собственное дело в Глазго, которое заключалось в создании и починке инструментов. Но ему пришлось столкнуться с союзом ремесленников, которые запретили ему заниматься этой работой. Причиной стало то, что Джеймс не прошел официального обучения. Не помогло даже то, что он являлся единственным представителем своего дела в Шотландии.

Но молодого человека спасает случай. В это время в университет Глазго прибыла партия инструментов для занятий астрономией. Они требовали постоянного внимания, включая и установку. Через своих знакомых Уатт получает возможность работать. Его назначили мастером научных инструментов учебного заведения. У него появилась возможность создать свою мастерскую.

В учебном заведении Джеймс знакомится с Джозефом Блэком, который занимался химией. Мастер помогает ученому в разработке некоторых химических приборов, которые продвинули дальнейшие исследования химика.

С 1759 года дела Уатта улучшились. Этому способствовало партнерство с бизнесменом Джоном Крейгом. Они организовали работу по производству различных инструментов и игрушек. Доход изобретателя значительно увеличился. Их партнерство прекратилось через шесть лет из-за смерти Крейга.

Период изобретательства

Паровая машина Ньюкомена существовала уже несколько десятилетий. Чаще всего ее применяли для откачки воды. Никто до этого даже не пытался ее усовершенствовать. С 1759 года идеей применения пара заинтересовался Уатт, но его попытки были неудачными.

В 1763 году к мастеру обратился представитель университета в Глазго с просьбой помочь в ремонте действующего макета творения Ньюкомена. Уатт смог провести с ней ряд экспериментов. Он смог починить макет и убедиться в неэффективности этой машины. Уатт внес в конструкцию определенные усовершенствования, однако этого было недостаточно.

Спустя два года Джеймс Уатт догадался, как можно создать совершенную паровую машину. Он начал внедрять в жизнь задуманное. В 1769 году он оформил патент на изолированную камеру для конденсации. Он смог построить действующую модель, которая работала по этому принципу. Для создания полноразмерной машины у него не было средств. В этом помогли Джозеф Блэк, Джон Робак. Проблемы не закончились, поскольку невозможно было добиться необходимой точности в производстве цилиндра и поршня. К тому же Робак стал банкротом.

Уатт нашел нового спонсора. Им стал Мэттью Болтон, который владел литейным заводом. Проблему в создании цилиндра решил Джон Уилкинсон. Коммерческий успех от своего изобретения Уатт получил благодаря созданию совместной компании с Мэттью Болтоном, которая действовала двадцать пять лет и принесла изобретателю большое состояние.

Уатт стремился не просто усовершенствовать машину Ньюкомена, он хотел создать модель с универсальным двигателем. Все его попытки привели к новому методу в работе паровой машины, который он запатентовал под названием планетное движение. Именно на этом методе стала работать первая паровая машина Джеймса Уатта.

После успеха новой машины начались множественные попытки ее подделать. В борьбе за репутацию собственного дела Уатт и Болтон вынуждены были тратить немалые денежные средства на судебные тяжбы. В результате они смогли отстоять свои права.

Значение изобретения

Патент на двигатель Джеймса Уатта был зарегистрирован в 1769 году. В документе было определено, что автор патента изобрел не новую машину, а паровой двигатель. Уатт до конца не понимал, насколько значимым в будущем станет его усовершенствование.

Значимость изобретения заключалась в том, что в двигателе поршень перемещался под действием пара. Благодаря этому можно было многократно увеличивать мощность, создавая большее давление. Больше не было необходимости наращивать габариты. Благодаря изобретению стало возможным создание паровоза, а чуть позже и парохода.

Признание заслуг

Еще при жизни изобретателя машина Джеймса Уатта произвела революцию в промышленности. Неудивительно, что его избирали представителем многих обществ. Его даже хотели наградить баронским титулом, но он от него отказался.

Общества, в которые был избран Уатт:

• Королевское общество в Эдинбурге.
• Философское общество в Роттердаме.
• Член-корреспондент Французской академии.
• Лунное общество в Бирмингеме – неофициальная организация для ученых британского Просвещения.

Последние годы

Биография Джеймса Уатта доказывает, насколько разносторонней личностью он был. Разнородности его познаний искренне удивлялся писатель Вальтер Скотт, который был лично знаком с изобретателем.

В последние годы жизни Уатт занимался машиной собственного производства, которая могла копировать скульптурные произведения, такие как барельефы, статуи, сосуды и прочее.

Умер мастер 19.08.1819 г., на восемьдесят третьем году жизни. Похоронили его в Хэндсворте.

Семья и дети

Джеймс Уатт, изобретения которого совершили прорыв в промышленности, был женат дважды. Его первая жена, Маргарет Миллер, умерла в 1772 году, родив ему их пятого ребенка. Но до зрелой жизни дожили лишь двое детей, которых звали, как и родителей, Джеймс и Маргарет.

Второй женой стала Энн МакГрегор в 1777 году. Их совместных детей звали Грегори и Джэнет.

Интересный факт

Уатт предлагал использовать в качестве единицы измерения мощности название «лошадиные силы». Однако в 1882 году по инициативе Британской ассоциации инженеров было принято решение присвоить единицу мощности именем изобретателя. С этого времени в технике принято пользоваться Ваттами. Подобное случилось впервые в истории техники.

Паровая машина wiki | TheReaderWiki

Парова́я маши́на — 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.

Паровая машина вместе с рядом подсобных машин и устройств называется паросиловой станцией.^[1]

Первая паровая машина была построена в XVII веке французским физиком Дени Папеном и представляла собой цилиндр с поршнем, который поднимался под действием пара, а опускался давлением атмосферы после сгущения отработавшего пара. На этом же принципе были построены в 1705 году вакуумные паровые машины Севери и Ньюкомена для выкачивания воды из копей. Значительные усовершенствования в вакуумной паровой машине были сделаны Джеймсом Уаттом в 1769 году. Дальнейшее значительное усовершенствование парового двигателя (применение на рабочем ходу пара высокого давления вместо вакуума) было сделано американцем Оливером Эвансом в 1786 году и англичанином Ричардом Тревитиком в 1800 году.

В России первая действующая паровая машина была построена в 1766 году по проекту Ивана Ползунова, предложенному им в 1763 году. Машина Ползунова имела два цилиндра с поршнями, работала непрерывно, и все действия в ней проходили автоматически. Но увидеть своё изобретение в работе И. И. Ползунову не пришлось: он умер 27 мая 1766 года, а его машина пущена в эксплуатацию на Барнаульском заводе только летом^[2]. Через пару месяцев из-за поломки она перестала действовать и впоследствии была демонтирована.

Для работы паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям.

Принцип действия поршневой паровой машины показан на иллюстрации. Работа поршня 1 посредством штока 2, ползуна 3, шатуна 4 и кривошипа 5 передаётся главному валу 6, несущему маховик 7, который служит для снижения неравномерности вращения вала. Эксцентрик, сидящий на главном валу, с помощью эксцентриковой тяги приводит в движение золотник 8, управляющий впуском пара в полости цилиндра. Пар из цилиндра выпускается в атмосферу или поступает в конденсатор. Для поддержания постоянного числа оборотов вала при изменяющейся нагрузке паровые машины снабжаются центробежным регулятором 9, автоматически изменяющим сечение прохода пара, поступающего в паровую машину (дроссельное регулирование, показано на рисунке), или момент отсечки наполнения (количественное регулирование).

Поршень образует в цилиндре паровой машины одну или две полости переменного объёма, в которых совершаются процессы сжатия и расширения, что показано кривыми зависимости давления p от объёма V указанных полостей. Эти кривые образуют замкнутую линию в соответствии с тепловым циклом, по которому работает паровая машина между давлениями p₁ и p₂, а также объёмами V₁ и V₂. Первичный поршневой двигатель предназначен для преобразования потенциальной тепловой энергии (давления) водяного пара в механическую работу. Рабочий процесс паровой машины обусловлен периодическими изменениями упругости пара в полостях её цилиндра, объём которых изменяется в процессе возвратно-поступательного движения поршня. Пар, поступающий в цилиндр паровой машины расширяется и перемещает поршень. Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется с помощью кривошипно-шатунного механизма во вращательное движение вала. Впуск и выпуск пара осуществляются системой парораспределения. Для снижения тепловых потерь цилиндры паровой машины окружаются паровой рубашкой.

Моменты начала и конца процессов расширения и сжатия пара дают четыре основные точки реального цикла паровой машины: объём V_e, определяемый точкой 1 начала или предварения впуска; объём конца впуска или наполнения Е, определяемый точкой 2 отсечки наполнения; объём предварения выпуска или конца расширения V_a, определяемый точкой 3 предварения выпуска; объём сжатия V_c, определяемый точкой 4 начала сжатия. В реальной паровой машине перечисленные объёмы фиксируются парораспределительными органами.

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:

η t h = W o u t Q i n {\displaystyle \eta _{th}={\frac {W_{out}}{Q_{in}}}} ,

где W_out — механическая работа, Дж; Q_in — затраченное количество теплоты, Дж.

Тепловой двигатель не может иметь КПД больший, чем у цикла Карно, в котором количество теплоты передаётся 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):

η t h ≤ 1 − T 2 T 1 {\displaystyle \eta _{th}\leq 1-{\frac {T_{2}}{T_{1}}}}

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 в 30—42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать КПД в 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, конкретно — при давлении поступающего из котла пара. Поэтому теплообменник может иметь любой размер, а перепад температур между рабочим телом и охладителем или нагревателем составляют около 1 °C. 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 °C.

Преимущества и недостатки

Основное преимущество паровых машин, как двигателей внешнего сгорания, состоит в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива (источник тепла) — от кизяка до цепной реакции деления урана.

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, а, наоборот, возрастает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки и Китая, 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^{[уточнить]}. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными тепловозами и электровозами^{[уточнить]}.

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.

Важным преимуществом поршневых паровых двигателей является сохранение максимального крутящего момента на любых оборотах, вплоть до самых минимальных. Это даёт паровым транспортным средствам динамику, недостижимую для транспортных средств с ДВС — преодоление уклонов на любой скорости, чрезвычайно медленный ход, плавный ход без рывков и т. д., а безрельсовым обеспечивает исключительную проходимость по бездорожью, несклонность к пробуксовке.

Благодаря высокому крутящему моменту поршневые паровые двигатели так же не нуждаются в коробке скоростей и понижающем редукторе, передавая усилие непосредственно на колёса или на дифференциал ведущего моста.

Простота устройства, щадящий температурный режим и низкие обороты, характерные для поршневых паровых двигателей, значительно повышают их ресурс, что обеспечивает им высокую надёжность и долговечность.

Поршневая паровая машина способна длительно выдерживать высокие перегрузки (до 100 %), на что ДВС неспособны.

Поршневая паровая машина не требует поддержания оборотов на холостом ходу и расходует пар строго пропорционально нагрузке, что значительно улучшает её экономичность. В современных автоматизированных котлах высокого давления подача топлива может отключаться сколь угодно часто, как только расход пара прекращается, а повторный пуск происходит практически мгновенно.

Поршневая паровая машина почти бесшумна.

Сжигание топлива в специальной камере при нормальном давлении позволяет провести полное окисление без образования токсичных продуктов. Использование геотермальной энергии, энергии солнца или других естественных источников может сделать паровую машину полностью экологически чистой. В результате экологический потенциал паровых машин гораздо выше, чем у двигателей внутреннего сгорания.

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться.

Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, турецким астрономом, физиком и инженером XVI века Такиюддином аш-Шами. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колёса.

Подобную машину предложил в 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка 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.

Паровая машина была создана испанским изобретателем Иеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент англичанина Т. Севери (см. ниже). Принцип действия и применение паровых машин были описаны также в 1655 году англичанином Эдвардом Сомерсетом; в 1663 году 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 XIX веке). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной.

Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-х годов 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 году 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 только как демонстрационная модель: 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 Таки ад-Дина и Севери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.

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 Севери в 1698 году. На своё устройство Севери в том же году получил патент. Это был паровой насос без поршня, 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 насоса 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».

В 1712 году английский кузнец Томас Ньюкомен продемонстрировал свой «атмосферный (вакуумный) двигатель». Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором Ньюкомен применил цилиндр с поршнем и существенно снизил рабочее давление пара. 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. Именно насос Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение.

В 1720 году немецкий физик Якоб Лейпольд изобрёл двухцилиндровый паровой двигатель высокого давления, в котором рабочий ход совершается не низким давлением вакуума, образующимся после впрыска воды в цилиндр с горячим водяным паром, как в вакуумных двигателях, а высоким давлением горячего водяного пара. Отработанный пар сбрасывается в атмосферу. Но машины высокого давления были построены только через 80 лет, в начале XIX века, американцем Оливером Эвансом и англичанином Ричардом Тревитиком.

В 1763 году механиком И. И. Ползуновым была спроектирована первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина для приведения в действие воздуходувных мехов на барнаульских Колывано-Воскресенских заводах, которая была построена в 1764 году.

В 1765 году Джеймс Уатт, для повышения КПД вакуумного двигателя Ньюкомена, сделал отдельный конденсатор. Двигатель всё ещё оставался вакуумным.

В 1781 году Джеймс Уатт запатентовал вакуумную паровую машину с кривошипно-шатунным механизмом, которая производила непрерывное вращательное движение вала (в отличие от поступательного движения в вакуумном двигателе водоподъёмного насоса Ньюкомена). Двигатель всё ещё оставался вакуумным, но вакуумный двигатель Уатта с кривошипно-шатунным механизмом, мощностью 10 лошадиных сил, стало возможным, при наличии каменного угля и воды, устанавливать и использовать в любом месте для любой цели. С вакуумным двигателем Уатта принято связывать начало промышленной революции в Англии.

Примечательно, что первой известной автоматической системой управления была система регулирования скорости пара, установленная на паровом двигателе Уатта в 1775 году; почти век спустя Джеймс Клерк Максвелл описал первую математическую модель автоматизации.

Дальнейшим повышением эффективности парового двигателя было применение пара высокого давления американцем Оливером Эвансом и англичанином Ричардом Тревитиком.

В 1786 году Эванс попытался было запатентовать обычный паровой автомобиль, в котором приводом служила паровая машина высокого давления, но патентное управление отказало Эвансу, посчитав его идею нелепой фантазией. Позже Эванс изготовил в общей сложности около полусотни подобных машин, большая часть которых использовалась для привода насосных установок.

Тревитик, инициатор создания и применения стационарных машин, работающих при высоких давлениях (получил в 1800 году патент на «машину высокого давления»), освоил на практике цилиндрические паровые (так называемые «корнваллийские») котлы (1815). С 1797 года строил модели паровых повозок, а в 1801 года начал строить оригиналы повозок, последняя из которых прошла успешные испытания в Корнуэлле и Лондоне (1802—1803).

В 1801 году Ричард Тревитик построил первый в истории паровоз «Puffing Devil», затем в 1802 году паровоз «Coalbrookdale» для одноимённой угольной компании.

Тревитик успешно строил 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. Множество вакуумных двигателей, построенных ранее по схеме Джеймса Уатта, после изобретения Эванса и Тревитика были перестроены по схеме «корнуэльского двигателя» высокого давления.

В 1769 году французский изобретатель Николя-Жозеф Кюньо 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 Делавэр между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Бёрлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7—8 узлов. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в городе Мертир-Тидвил в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком.

В 1824 году французский учёный и инженер Сади Карно в своём сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» впервые описал цикл работы термодинамической системы, позже названный его именем^[3][4].

С развитием паровозо- и пароходостроения прогресс паровой машины получил новый толчок. В течение XIX века усилиями многих талантливых инженеров паровая машина была значительно усовершенствована. Были разработаны конструкции котлов и различных вспомогательных систем (механизмов парораспределения, топливоподачи и т. п.), ставшие впоследствии классическими. Появились многоступенчатые, компаундные и тандемные типы, интересные промышленные модели. Практический КПД паровой машины был значительно повышен. Требования сухопутного транспорта и мелкого судостроения содействовали появлению компактных моделей с высокой удельной мощностью. Во второй половине века появились типы компоновок и систем, использованные затем в двигателях внутреннего сгорания: V-образные и звездообразные компоновки без крейцкопфа, блок-цилиндры с закрытым картером, тарельчатые клапаны с приводом от кулачкового вала и т. д. Параллельно шла разработка роторных альтернатив: паровой турбины, различных моделей коловратных двигателей.

К началу XX века была уже хорошо разработана теория и практика паровых машин, сохранившаяся до наших дней почти без изменений. Поршневые паровые машины безраздельно властвовали на железнодорожном и морском транспорте, паровые турбины всё чаще находили практическое применение на крупных морских судах. Подавляющее большинство коловратных (роторно-поршневых) типов было опробовано и по тем или иным причинам отвергнуто.

В первые десятилетия XX века отмечается бум транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания, значительно пошатнувший авторитет паровой машины. Она уступает более лёгким и компактным конкурентам. К 1930-м годам бензиновые и дизельные двигатели почти полностью вытесняют паровую машину из лёгкого сухопутного транспорта, решительно вторгаются в области железнодорожного транспорта и судостроения. Считается, что паровая машина уже доживает свой век, безнадёжно устарела.

В 1930-е годы вокруг неё снова намечается некоторое оживление. Появляются новые материалы: нержавеющие стали, способные выдержать высокие температуры и давления, а также лёгкие и прочные алюминиевые сплавы. Это позволяет поднять давление пара до величин 30—100 атм, что делает паровую машину замкнутого цикла сопоставимой по габаритам, эффективности и цене с двигателем внутреннего сгорания. Внедрение водотрубной системы делает котёл компактным и безопасным. Налаживается серийное производство паровых легковых и грузовых автомобилей, тракторов, автобусов и даже танков и самолётов. Появляются новые идеи: внедрение звездообразных паровых машин в ступицы колёс, в задний мост и т. д. Принимаются во внимание ценные качества паровой машины: высокий крутящий момент, отличная проходимость по бездорожью, нетребовательность к топливу, долговечность, бесшумность, плавность хода, отсутствие необходимости поддерживать обороты на холостом ходу и т. п. Паровые машины устанавливаются даже на лимузины.^[5]

Однако попытка реанимации идеи паровой машины не удалась: отчасти из-за начавшейся Второй мировой войны, отчасти из-за сформировавшегося у потребителя стереотипа устарелости, громоздкости, грязности и опасности паровой машины, интерес к этим опытам ослабевает. Дольше всего паровая машина продержалась на железнодорожном транспорте, где новые модели паровозов выпускались вплоть до 1950-х годов. Но и здесь постепенно была вытеснена тепловозами, электровозами и газотурбовозами.

Тем не менее идея её не забыта и некоторые экспериментальные работы, и даже попытки серийного производства паровых машин высокого давления, ведутся энтузиастами и в наши дни. Большую ценность представляют так же действующие модели исторических паровых машин, изготавливаемые любителями.

Следует отметить, что распространение парового двигателя шло постепенно: механизмы, использующие водную и ветряную энергию, ещё долго конкурировали с паровыми машинами. В частности, до 1870 года в Соединённых Штатах большинство фабрик использовали энергию водяных турбин, а не паровых двигателей^[6]. Точно так же постепенно она выходила из употребления. Так, последние паровозы работали на линиях ещё в конце XX века, а некоторые сохраняются работоспособными до наших дней, несмотря даже на то, что КПД паровозной машины один из самых низких. До сих пор именно паровозы и пароходы окутаны неким ореолом романтики. В некоторых странах они и сегодня используются в туристических целях.

Что касается паровых турбин, то они заняли прочные позиции в энергетике и крупном транспортном машиностроении. Однако их КПД сильно зависит от размеров, поэтому паровые турбины малой мощности экономически нецелесообразны и не находят применения в качестве основной силовой установки. В новых разработках транспорта с паровой машиной они используются как вспомогательные приводы, работающие на возвратном пару.

Паровые машины разделяются^[7][8]:

• по способу действия пара на машины с расширением и без него, причём первые считаются наиболее экономичными
• по используемому пару
  • низкого давления (до 12 кг/см²)
  • среднего давления (12—60 кг/см²)
  • высокого давления (свыше 60 кг/см²)
• по числу оборотов вала
  • тихоходные (до 50 об/мин, как на колёсных пароходах)
  • быстроходные.
• по давлению выпускаемого пара
  • на конденсационные (давление в конденсаторе 0,1—0,2 ата)
  • выхлопные (с давлением 1,1—1,2 ата)
  • теплофикационные с отбором пара на нагревательные цели или для паровых турбин давлением от 1,2 ата до 60 ата в зависимости от назначения отбора (отопление, регенерация, технологические процессы, срабатывание высоких перепадов в предвключённых паровых турбинах).
• По расположению цилиндров
  • горизонтальные
  • наклонные
  • вертикальные
• по числу цилиндров
  • одноцилиндровые
  • многоцилиндровые
    • сдвоенные, строенные и т. д., в которых каждый цилиндр питается свежим паром
    • паровые машины многократного расширения, в которых пар последовательно расширяется в 2, 3, 4 цилиндрах возрастающего объёма, переходя из цилиндра в цилиндр через т. н. ресиверы (коллекторы).

По типу передаточного механизма паровые машины многократного расширения делятся на тандем-машины и компаунд-машины. Особую группу составляют прямоточные паровые машины, в которых выпуск пара из полости цилиндра осуществляется кромкой поршня.

По их применению: на стационарные машины и нестационарные (в том числе передвижные), устанавливаемые на различные типы транспортных средств.

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

• Машины с переменным режимом, к которым относятся машины транспортных средств, строительно-дорожных машин, 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.

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.^[9]

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.

Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничения 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 Ричард Тревитик усовершенствовал машину Уатта. 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 корнуэльских^[en], и строились вплоть до 1890-х годов. Множество старых машин Уатта было реконструировано до этого уровня. Некоторые из корнуэльских машин 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.

Следующим важным шагом в развитии паровых машин высокого давления стало изобретение в 1782 году Джеймсом Уаттом машины двойного действия. В машинах одиночного 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 поочерёдно подаётся 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 лёгким 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.

В 1832 году впервые в России на заводе была построена паровая машина с кривошипно-шатунным механизмом для военного парохода «Геркулес» (строитель парохода — английский кораблестроитель на русской службе В.  Ф. Стокке). Это была первая в мире удачная для пароходов паровая машина без балансира в 240 сил^[10]. Англичане дважды, в 1822 и 1826 годах, делали попытку изготовить такие машины для своих пароходов, но они оказались неудачными и их пришлось заменить обычными балансирными машинами. Лишь на пароходе «Горгон» (Gorgon), спущенном на воду в 1837 году, они смогли установить машину прямого действия (без балансира), которая стала работать нормально.^[10]

В большинстве возвратно-поступательных паровых машин пар изменяет направление движения в каждом такте рабочего цикла, поступая в цилиндр и выходя из него через один и тот же коллектор. Полный цикл двигателя занимает один полный оборот кривошипа и состоит из четырёх фаз — впуска, расширения (рабочая фаза), выпуска и сжатия. Эти фазы контролируются клапанами в «паровой коробке», смежной с цилиндром. Клапаны управляют потоком пара, последовательно соединяя коллекторы каждой стороны рабочего цилиндра с впускным и выпускным коллектором паровой машины. Клапаны приводятся в движение клапанным механизмом какого-либо типа.

Простейший клапанный механизм даёт фиксированную продолжительность рабочих фаз и обычно не имеет возможности изменять направление вращения вала машины. Большинство клапанных механизмов более совершенны, имеют механизм реверса, а также позволяют регулировать мощность и крутящий момент машины путём изменения «отсечки пара», то есть изменяя соотношение фаз впуска и расширения. Так как обычно один и тот же скользящий клапан управляет и входным и выходным потоком пара, изменение этих фаз также симметрично влияет на соотношения фаз выпуска и сжатия. И здесь существует проблема, поскольку соотношение этих фаз в идеале не должно меняться: если фаза выпуска станет слишком короткой, то большая часть отработанного пара не успеет покинуть цилиндр, и создаст существенное противодавление на фазе сжатия.

В 1840-х и 1850-х годах было совершено множество попыток обойти это ограничение, в основном путём создания схем с дополнительным клапаном отсечки, установленном на основном распределительном клапане, но такие механизмы не показывали удовлетворительной работы, к тому же получались слишком дорогими и сложными. С тех пор обычным компромиссным решением стало удлинение скользящих поверхностей золотниковых клапанов с тем, чтобы впускное окно было перекрыто дольше, чем выпускное. Позже были разработаны схемы с отдельными впускными и выпускными клапанами, которые могли обеспечить практически идеальный цикл работы, но эти схемы редко применялись на практике, особенно на транспорте, из-за своей сложности и возникающих эксплуатационных проблем.^[11][12]

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 объём цилиндра.^[13]

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 нём 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.^[14]

Множественное расширение

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

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

Появление этого типа паровых машин стало особенно актуальным для флота, поскольку требования к размеру и весу для судовых машин были не очень жёсткими, а главное, такая схема позволяла легко использовать конденсатор, возвращающий отработанный пар в виде пресной воды обратно в котёл (использовать солёную морскую воду для питания котлов было невозможно). Наземные паровые машины обычно не испытывали проблем с питанием водой и потому могли выбрасывать отработанный пар в атмосферу. Поэтому такая схема для них была менее актуальной, особенно с учётом её сложности, размера и веса. Доминирование паровых машин множественного расширения закончилось только с появлением и широким распространением паровых турбин. Однако в современных паровых турбинах используется тот же принцип разделения потока на секции 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 остаётся более или менее постоянным. Прямоточные машины одиночного расширения показывают примерно такую же эффективность, как компаундные машины с обычным парораспределением. Кроме того, они могут работать на более высоких оборотах, и потому до появления паровых турбин часто применялись для привода электрогенераторов, требующих высокой скорости вращения.

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

Паровая турбина представляет собой барабан либо серию вращающихся дисков, закреплённых на единой оси, их называют ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закреплённых на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подаётся на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные (в активных, либо подобные в реактивных) 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 неё подаётся. 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 турбогенераторами, которые приводятся во вращение 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.

Кроме поршневых паровых машин, в XIX веке активно использовались роторные паровые машины. В России, во второй половине XIX века они назывались «коловратные машины». Их было несколько типов, но наиболее успешной и эффективной была «коловратная машина» петербургского инженера-механика Н. Н. Тверского^[15]. Машина представляла собой цилиндрический корпус, в котором вращался ротор-крыльчатка, а запирали камеры расширения особые запорные барабанчики. «Коловратная машина» Н. Н. Тверского не имела ни одной детали, которая бы совершала возвратно-поступательные движения и была идеально уравновешена.

Двигатель Тверского создавался и эксплуатировался преимущественно на энтузиазме его автора, однако он использовался во многих экземплярах на малых судах, на фабриках и для привода динамо-машин. Один из двигателей даже установили на императорской яхте «Штандарт», а в качестве расширительной машины — с приводом от баллона со сжатым аммиаком, этот двигатель приводил в движение в подводном положении одну из первых экспериментальных подводных лодок — «подводную миноноску», которая испытывалась Н. Н. Тверским в 1880-х годах в водах Финского залива.

Однако, со временем, когда паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания и электромоторами, «коловратная машина» Н. Н. Тверского была практически забыта. Однако эти «коловратные машины» можно считать прообразами сегодняшних роторных двигателей внутреннего сгорания.

Вплоть до середины XX века паровые машины широко применялись в тех областях, где их положительные качества (большая надёжность, возможность работы с большими колебаниями нагрузки, возможность длительных перегрузок, долговечность, невысокие эксплуатационные расходы, простота обслуживания и лёгкость реверсирования) делали применение паровой машины более целесообразным, чем применение других двигателей, несмотря на её недостатки, вытекающие главным образом из наличия кривошипно-шатунного механизма. К таким областям относятся: железнодорожный транспорт, водный транспорт, где паровая машина делила своё применение с двигателями внутреннего сгорания и паровыми турбинами; промышленные предприятия с силовым и тепловым потреблением: сахарные заводы, спичечные, текстильные, бумажные фабрики, отдельные пищевые предприятия. Характер теплового потребления этих предприятий определял тепловую схему установки и соответствующий ей тип теплофикационной паровой машины: с концевым или промежуточным отбором пара.

Теплофикационные установки дают возможность уменьшать на 5—20 % расход топлива по сравнению с раздельным и установками, состоящими из конденсационных паровых машин и отдельных котёльных, производящих пар на технологические процессы и отопление.

Проведённые в СССР исследования показали целесообразность перевода раздельных установок на теплофикационные путём введения регулируемого отбора пара из ресивера паровой машины двойного расширения. Возможность работы на любых видах топлива делала целесообразным применение паровых машин для работы на отходах производства и сельского хозяйства: на лесозаводах, в локомобильных установках и т. п., особенно при наличии теплового потребления, как, например, на деревообрабатывающих предприятиях, имеющих горючие отходы и потребляющих низкопотенциальное тепло для целей сушки лесоматериалов.

Паровая машина удобна для применения в безрельсовом транспорте (паровой автомобиль, паровой грузовик, паровой экскаватор, паровой самолёт), так как не требует коробки скоростей, однако она не получила распространения из-за некоторых неразрешимых конструктивных трудностей.

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

В настоящее время паровая машина применяется для привода насосов, используемых в качестве резервных или при наличии источника пара, в условиях недоступности электроэнергии или невозможности применения электроэнергии или двигателя внутреннего сгорания по условиям пожарной безопасности. Поршневая паровая машина двойного действия без кривошипно-шатунного механизма используется для линейного привода поршневого насоса. Промышленностью выпускаются вертикальные и горизонтальные паровые насосы типа ПДВ и ПДГ, соответственно.^[16]

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.

Нетрадиционные машины

На 4-м канале Британского телевидения с 1998 года проводится реалити-шоу «Scrapheap Challenge^[en]» («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.

Airspeed 2000 — единственный практический паролёт.

1. ↑ Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том I. Механика. Теплота. Молекулярная физика. — М.: Наука, 1971. — Тираж 300 000 экз. — С. 629
2. ↑ Иван Иванович Ползунов 1728—1766. Биография изобретателя Ползунова (неопр.). www.bibliotekar.ru. Дата обращения: 24 января 2019.
3. ↑ Carnot S. Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance. — Paris: Gauthier-Villars, Imprimeur-Libraire, 1878. — 102 p. (фр.)
4. ↑ Второе начало термодинамики. (Работы Сади Карно — В.Томсон — Кельвин — Р. Клаузиус — Л. Больцман — М. Смолуховский) / Под. ред. А. К. Тимирязева. — Москва—Ленинград: Государственное технико-теоретическое издательство, 1934. — С. 17—61.
5. ↑ В. А. Добровольский. Современные паровые автомобили и тракторы. — НКТП Государственное научно-техническое издательство Украины, 1936
6. ↑ Н. Розенберг, Л. Е. Бирдцелл. Как Запад стал богатым. Экономическое преобразование индустриального мира. — Новосибирск: Экор, 1995. — С. 352.
7. ↑ Паровая машина // Панипат — Печура. — М. : Советская энциклопедия, 1955. — С. 125—127. — (Большая советская энциклопедия : [в 51 т.] / гл. ред. Б. А. Введенский ; 1949—1958, т. 32).
8. ↑ Жирицкий Г. С. Паровые машины. — Госэнергоиздат, 1951. — С. 9—11. — 280 с.
9. ↑ Hulse David K. (1999): «The early development of the steam engine»; TEE Publishing, Leamington Spa, UK, ISBN, 85761 107 1 (англ.)
10. ↑ ^{1 2} Н. А. Залесский. «Одесса» выходит в море. Возникновение парового мореплавания на Чёрном море 1827—1855. — Л.: Судостроение, 1987. — С. 8—9.
11. ↑ Riemsdijk J. van: (1994) Compound Locomotives, pp. 2-3; Atlantic Publishers Penrhyn, England. ISBN 0-906899-61-3 (англ.)
12. ↑ 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.)
13. ↑ Bell, A.M. Locomotives. — London: Virtue and Company, 1950. — С. pp61—63. (англ.)
14. ↑ Riemsdijk J. van: (1994) Compound Locomotives, Atlantic Publishers Penrhyn, England. ISBN 0-906899-61-3 (англ.)
15. ↑ Паровой двигатель Н. Н. Тверского
16. ↑ Центральная насосная компания. Паровые поршневые насосы ПДВ и ПДГ (неопр.). www.mnkom.ru. Дата обращения: 24 февраля 2020.

• Brown, Richard. Society and Economy in Modern Britain 1700-1850 (англ.). — Taylor & Francis, 2002. — ISBN 978-0-203-40252-8.
• Chapelon, André. La locomotive à vapeur (фр.). — Camden Miniature Steam Services, 2000. — ISBN 978-0-9536523-0-3.
• Crump, Thomas. A Brief History of the Age of Steam: From the First Engine to the Boats and Railways (англ.). — 2007.
• Ewing, Sir James Alfred. The Steam-engine and Other Heat-engines. — Cambridge: University Press, 1894.
• Hills, Richard L.  (англ.) (рус.. Power from Steam: A history of the stationary steam engine (англ.). — Cambridge: Cambridge University Press, 1989. — ISBN 978-0-521-34356-5.
• Hunter, Louis C. A History of Industrial Power in the United States, 1730–1930 (англ.). — Charolttesville: University Press of Virginia  (англ.) (рус., 1985. — Vol. Vol. 2: Steam Power.
• Hunter, Louis C.; Bryant, Lynwood. A History of Industrial Power in the United States, 1730–1930 (англ.). — Cambridge, Massachusetts: MIT Press, 1991. — Vol. Vol. 3: The Transmission of Power. — ISBN 978-0-262-08198-6.
• Landes, David S.  (англ.) (рус.. The Unbound Prometheus: Technological Change and Industrial Development in Western Europe from 1750 to the Present (англ.). — Cambridge, NY: Press Syndicate of the University of Cambridge, 1969. — ISBN 978-0-521-09418-4.
• Паровые машины. История, описание и приложение их. — СПб. Тип. Эдуарда Праца и Ко., 1838. — 234 с.
• Брандт А. А. Очерк истории паровой машины и применения паровых двигателей в России. — СПб.: Тип. Ю. Н. Эрлих, 1892. — 70 с.
• Тонков Р. Р. К истории паровых машин в России // «Горный журнал», № 6, 1902.
• Лебедев В. И. Занимательная техника в прошлом. — Л.: «Время», 1933. — 198 с.
• Люди русской науки: Очерки о выдающихся деятелях естествознания и техники / Под ред. С. И. Вавилова. — М., Л.: ГИТТЛ, 1948.
• Конфедератов И. Я. Иван Иванович Ползунов. — М. — Л.: Госэнергоиздат, 1954. — 296 с.
• Котурницкий П. В. Паровые машины // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
• Паровая машина — статья из Большой советской энциклопедии. 
• Thurston, Robert Henry. A History of the Growth of the Steam-engine (англ.). — New York: D. Appleton and Company  (англ.) (рус., 1878. — (The International Scientific Series).

Определение парового двигателя | Типы и принцип паровой машины

ЧТО ТАКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛИ?

Паровой двигатель — устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую энергию, а тепло подается в двигатель посредством пара. Это механизм, в котором в качестве рабочего тела используется пар. Паровой двигатель работает по принципу первого закона термодинамики, где работа и тепло взаимопреобразовываются. Это очень простое определение паровой машины.

В паровой машине есть цилиндр с поршнем. Затем пар из котла поступает в цилиндр двигателя, и цилиндр воздействует на поршень, который тем самым совершает возвратно-поступательное движение поршня. Таким образом, тепловая энергия пара преобразуется в механическую работу, поэтому он называется Поршневой паровой двигатель .

Первая паровая машина была изобретена в 1712 году Томасом Ньюкоменом и его помощником Джоном Калли.

КАК СДЕЛАТЬ ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ?

В паровой машине перегретый пар высокого давления из котла подается в паросборник.Здесь D-образный клапан V, называемый D-золотником, перемещается туда и сюда в паровой камере, и этот клапан регулирует подачу пара в цилиндр двигателя, приводимый в действие механизмом E, называемым эксцентриком, который расположен на коленчатом валу. Есть два разных порта А и В, через которые пар вводится в цилиндр с двух сторон от поршня, а К — выпускной порт, через который пар выводится из цилиндра.

Когда золотниковый клапан D перемещается вправо, пар из паровой камеры поступает с левой стороны через порт A.Этот пар под высоким давлением толкает поршень к правой стороне кривошипа. Это называется прямым ходом поршня. При движении поршня крейцкопф перемещается вправо, тем самым толкая шатун, который также толкает кривошип вправо. Теперь кривошип и коленчатый вал вращаются по часовой стрелке, как показано на рисунке.

Когда поршень находится в крайнем правом положении или ближе к торцевой крышке кривошипа, клапан V перемещается влево и открывает паровой порт B, через который пар поступает в цилиндр.Таким образом, поршень теперь движется влево или от кривошипа. Это называется обратным ходом поршня. Поршень начинает двигаться влево, и левый пар выходит из цилиндра через выпускной порт K через порт A.

Опять же, когда поршень находится в крайнем левом положении, клапан V начинает двигаться в правом направлении и открывает порт A. В результате пар поступает в цилиндр через порт A, и поршень начинает двигаться в правом направлении. Теперь пар из правого цилиндра выходит из цилиндра через выпускной порт K через порт B.

Таким образом, поршень совершает возвратно-поступательное движение в камере цилиндра и вращает коленчатый вал через поршневой шток, шатун и кривошип. Этот процесс происходит постоянно, и поэтому работает паровая машина. В конце каждого такта поршень меняет направление движения и на мгновение останавливается. Это называется мертвыми точками кривошипа. Вышеупомянутая паровая машина называется одноцилиндровой горизонтальной поршневой паровой машиной двойного действия .

ТИПЫ ПАРОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Паровые двигатели относятся к разным категориям. Здесь мы обсудим некоторые важные категории:

1. В зависимости от положения цилиндра:-

а. Горизонтальная паровая машина: когда ось находится в горизонтальном положении в паровой машине, она называется горизонтальной паровой машиной.

б. Вертикальный паровой двигатель: если ось находится в вертикальном положении в паровом двигателе, это называется вертикальным паровым двигателем.

2. По количеству рабочих ходов:-

а.Паровой двигатель одинарного действия: когда пар поступает с одной стороны поршня и производит один рабочий ход при каждом обороте коленчатого вала, называется паровым двигателем одностороннего действия.

б. Паровой двигатель двойного действия: когда пар поступает с обеих сторон поршня и производит двойной рабочий ход на каждом обороте, называется паровым двигателем двойного действия. Он производит двойную мощность, чем паровой двигатель одностороннего действия.

3. По количеству цилиндров, в которых расширяется пар:-

а.Простая паровая машина: Когда расширение пара осуществляется в одном цилиндре, это называется простой паровой машиной.

б. Составной паровой двигатель: когда расширение пара осуществляется в двух или более цилиндрах, называется составным паровым двигателем.

4. По типу выхлопа: —

а. Конденсационный паровой двигатель: когда пар выпускается в конденсаторе, называемом конденсационным паровым двигателем.

б. Паровой двигатель без конденсации: когда пар выбрасывается в атмосферу, называется паровой двигатель без конденсации.

5. По способу управления:-

а. Дроссельный паровой двигатель: когда скорость парового двигателя регулируется дроссельным клапаном в паровой трубе, который регулирует давление пара в двигателе.

б. Паровой двигатель с автоматическим отключением: когда скорость парового двигателя регулируется автоматическим регулятором отключения, который регулирует давление пара в двигателе.

6. По частоте вращения коленчатого вала:-

а. Низкоскоростная паровая машина: Когда скорость коленчатого вала ниже 100 оборотов в минуту, это называется тихоходной паровой машиной.

б. Паровой двигатель средней скорости: когда скорость коленчатого вала составляет от 100 до 250 оборотов в минуту, это называется паровым двигателем средней скорости.

с. Высокоскоростной паровой двигатель: Когда скорость коленчатого вала превышает 250 оборотов в минуту, это называется высокоскоростным паровым двигателем.

7. По области применения:-

а. Стационарный двигатель

б. Локомотив

с. Судовой двигатель

8. В соответствии с используемым клапанным механизмом:-

а.Клапан двигателя

б. Клапанный двигатель Corlis

9. Расширенный двигатель: —

10. Нерасширяющийся двигатель: —

Как работает паровой двигатель

Как работает паровой двигатель: — Паровые двигатели — это двигатели, которые были хорошо известны своей производительностью и качеством сборки и заслуживали того, чтобы их хорошо помнили, поскольку они охватили мир во время промышленной революции 18-го и 19-го веков. Паровые двигатели считаются одним из величайших изобретений на сегодняшний день.Эти двигатели являются прекрасным примером техники и техники.

Что приводит в действие паровые двигатели?

До начала 20-го века уголь был одним из самых популярных видов топлива и использовался во всем, например, в поездах, кораблях и паровых самолетах, которые были изобретены американским ученым по имени Сэмюэл П. Лэнгли, который был одним из первых соперников братьев Райт. Самое лучшее в угле было то, что он был доступен в больших количествах внутри Земли и, следовательно, был сравнительно недорогим и широко доступным.

Вы когда-нибудь знали, что такое уголь? Уголь относится к органическому химическому веществу, полностью основанному на углеродном элементе. Обнаружено, что уголь образовался более миллионов лет назад из-за мертвых останков растений и животных, которые были погребены под скалами, выдавлены под давлением или приготовлены внутренним теплом земли. Вот почему его называют ископаемым топливом.

Для работы паровых двигателей требовалось много угля, поскольку уголь содержит половину энергии на килограмм по сравнению с некоторыми ископаемыми видами топлива, такими как бензин, дизельное топливо и керосин.

Пошаговая работа парового двигателя

Интересно отметить, как все устроено в паровозе. Внутри паровой машины уголь загружается в топку – своего рода металлический ящик, в котором горит уголь. Огонь на углях нагревает котел внутри локомотива, который приводит в движение двигатель.

Котел паровоза не похож на котел, но работает по тому же принципу, производя пар под высоким давлением.Котел имеет большой резервуар для воды, который может выдержать десятки металлических труб, проходящих через него. Трубки идут от топки к дымоходу, который несет с собой жар и дым от огня. Устройство, состоящее из труб котла, означает, что огонь двигателя может очень быстро нагревать воду в баке котла, чтобы производить пар очень быстро и с полной эффективностью. Вода, которая используется для производства пара, поступает либо из резервуаров, установленных сбоку от двигателя, либо извлекается из отдельного вагона, известного как тендер, который тянется за локомотивом.

Пар, образующийся в котле, стекает в цилиндр прямо перед колесами, которые толкают поршень и поршень вперед и назад. Внутри цилиндра есть небольшая механическая заслонка, которая называется впускным клапаном, предназначенным для пропуска пара. Поршень, отвечающий за движение, соединяется с колесами локомотива с помощью локтевого плечевого сустава руки, известного как как кривошип и шатун.

Как работают паровые двигатели?

Как только поршень толкает кривошип и шатун, он вращает колеса двигателя и дает мощность поезду.Как только поршень приблизился к концу цилиндра, его нельзя протолкнуть дальше. Эта тенденция удерживать поезд в движении приводит к тому, что кривошип толкает поршень обратно в цилиндр из того места, где он фактически сместился. После этого клапан подачи пара закрывается. Выпускной клапан открывается, когда поршень перемещает пар обратно через цилиндр из дымовой трубы двигателя. Шум, производимый паровой машиной, и дым, возникающий при движении поршня вперед и назад в цилиндре.

По обеим сторонам двигателя установлен цилиндр, и оба этих цилиндра слегка смещаются по отношению к другому, чтобы гарантировать, что двигатель всегда будет двигаться вместе с некоторой мощностью.

Одноцилиндровый паровой двигатель используется в качестве парового локомотива на трассе и называется роторным паровым двигателем из-за функции поршня, заставляющей колесо вращаться. Раньше паровые машины работали совершенно по-другому, просто толкая поршень вверх и вниз в простом движении вперед и назад.Поршневые паровые машины использовались для откачки воды из затопленных угольных шахт еще в древности.

Паровой двигатель одностороннего действия

Это двигатели, в которых пар толкает поршень в одном направлении, а импульс локомотива двигает его в другом направлении. Но оказалось, что это самая неэффективная конструкция, поскольку поршень приводится в действие только в половине случаев.

Паровая машина двойного действия

Это немного сложные двигатели, но они намного лучше, так как в них используются дополнительные паровые трубы и клапаны, чтобы пар двигал поршень сначала в одну, а затем в другую сторону.Его также называют противоточным паровым двигателем.

Причина, по которой он более мощный, заключается в том, что пар все время приводит в движение поршень. Если правильно наблюдать за колесами типичного парового двигателя, можно заметить, что каждая деталь довольно сложна, чем это видно на изображениях, поскольку в двигателе гораздо больше сложности, чем просто кривошип или шатун. Он включает в себя набор рычагов, которые используются для точного перемещения вперед и назад. Это также известно как клапанный механизм.

Основная его задача — открывать и закрывать клапаны цилиндра в нужный момент, что помогает пару входить и выходить, чтобы двигатель работал максимально эффективно и мощно, что также позволяет ему двигаться в обратном направлении. . Существуют различные типы клапанных механизмов. Один из самых популярных дизайнов среди всех известен как Walschaerts, который был назван в честь бельгийского изобретателя Эгида Вальшартса  

Паровой двигатель Часто задаваемые вопросы

Вопрос. Что такое стационарная паровая машина?
ОТВЕТ. Двигатель, установленный в определенном месте и предназначенный для того, чтобы оставаться в том же положении без изменений, или, проще говоря, это двигатель, который выполняет свою работу, не меняя своего места.

Вопросы. Что такое судовой двигатель?
ОТВЕТ. Это двигатель, предназначенный для приведения в движение пароходов, винтовых или бортовых.

Вопросы. Что такое локомотив?
ANS.. Двигатель, предназначенный для работы на железных и стальных железных дорогах. Когда двигатель и котел объединены в одну машину, она становится «путевой машиной».

Вопросы. Существуют ли другие паровые машины, кроме этих трех?
ОТВЕТ. да. Переносные двигатели, подъемные машины, паровой молот, паровой бур, насосные двигатели, воздуходувные машины, паровые пожарные машины, ослики, рулевые машины и т.д.

Ques. Действуют ли все они по одному и тому же общему принципу или закону, и что это такое?
ОТВЕТ.да. Основополагающий принцип или закон природы, регулирующий построение всего этого, тот же, что применяется к образованию и расширению газов. Вода превращается в газ (пар) за счет теплоты сгорания, и пока она такова, она подчиняется законам, управляющим расширением, сжатием и т. д. всех газов.

Вопросы. Откуда берется сила или энергия, приводящие в движение все паровые машины?
ОТВЕТ. Из угля или другого топлива.

Вопросы. Источником энергии является пар, вода или двигатель?
ОТВЕТ.Не любой. Сила или энергия исходит от тепла, а тепло исходит от сжигания угля. Свойство двигателя состоит в том, что он должен постоянно возвращаться в исходную точку, и на каждом полуобороте он получает новый запас энергии (тепла), который расходуется на предназначенную ему работу.

Вопросы. Сколько существует типов или форм паровых двигателей?
ОТВЕТ. Очень много сотен, если не тысяч, но все они действовали по заявленным принципам.

Вопросы. Какой узор самый многочисленный?
ОТВЕТ.Общий золотник, стационарный двигатель.

Вопросы. Какие типы двигателей в настоящее время лидируют в экономичности и эффективности?
ОТВЕТ. Двигатели с автоматическим отключением быстро вытесняют и заменяют обычные двигатели с золотниковым клапаном.

Вопросы. В чем заключаются договоренности между изготовителем, покупателем и инженером паровой машины?
ОТВЕТ. К слову о его «ходовых» качествах.

Вопросы. Что можно было бы считать справедливым «ходовым» требованием к новому двигателю в руках первоклассного инженера?
ОТВЕТ.Удовлетворительно работающий двигатель — это двигатель, неподвижные части которого обладают такой прочностью и надежностью, что в любой точке нет абсолютно никакого движения из-за возвратно-поступательного движения движущихся частей. В машине, вполне удовлетворительной в этом отношении, тонкий стержень с прямоугольным концом, такой как обычный графитный карандаш, может быть помещен в стоячее положение на ровной поверхности в любой точке и оставаться там неопределенное время без какой-либо другой опоры, кроме своей собственной. база.

Примечания.—Есть очень много мест, из которых золотниковый двигатель никогда не будет перемещен, например, из мест с дешевым топливом, таких как лесопильные и строгальные станки и т. д.; также там, где двигатель необходимо запускать и останавливать через частые промежутки времени, например, подъемные двигатели первого движения.

Вопросы. Какое количество угля сейчас считается «хорошей практикой» на лошадиную силу в час?
ОТВЕТ. Очень немногие стационарные паровые машины развивают производительность менее 2 фунтов угля на лошадиную силу в час, а 5 фунтов — это обычное потребление угля для такого количества работы. В судовых расширительных двигателях — многоцилиндровых — скорость часто снижается ниже 1/3 фунта.на лошадиную силу в час.

Вопросы. Какая часть теплоты, образующейся в печи, расходуется на полезную работу?
ОТВЕТ. Около десяти процентов. Некоторые двигатели при тщательном измерении показали только семь процентов. Растрата тепла, образующая такой большой агрегат, общий для каждой паровой машины, начинается в топке и заканчивается только с выходом пара из выпускного отверстия.

Вопросы. Какие достижения следует искать в современной паровой машине?
ОТВЕТ. Близкое регулирование скорости; наименьший отвод тепла от пара охлаждением цилиндра; маленькие зазоры; свободные паровые отверстия от паровой камеры к цилиндру, чтобы полное давление котла могло поступать в цилиндр до точки отсечки; свободный выхлоп, не допускающий обратного давления по любой неисправности двигателя; быстрое движение клапана в точке отсечки, чтобы сделать эту точку решающей; герметичные клапаны, не допускающие потери пара в результате утечек; и последнее, но чрезвычайно важное, минимально возможное трение в клапанах и движущихся частях двигателя.

Примечание. Какой бы ни была марка материала, из которого изготовлены детали, какой бы ни была их прочность, какими бы совершенными ни были их конструкция и отделка, двигатель не может быть полностью удовлетворительным, если его ходовые качества в каком-либо отношении несовершенны. Чтобы двигатель был полностью удовлетворительным, он должен быть способен выдерживать максимальную нагрузку без нагрева ни в коренном подшипнике, ни в кривошипной шейке, ни в направляющих; и, кроме того, он должен делать это без всякого стука при прохождении центров; также все возвратно-поступательные части должны работать бесшумно, без рывков и дрожи.

Вопросы. Что означает термин «цикл»?
ANS. Если вещество, подобное воде или газу, подвергается различным изменениям под действием тепла и, наконец, возвращается в исходное состояние, говорят, что оно претерпело «цикл операций». .»

Вопрос. Какова истинная мера эффективности двигателя?
ANS. Доля тепла, преобразованная в работу при толкании поршня, является мерой эффективности двигателя.

Вопрос. Как оцениваются паровые двигатели №
ОТВЕТ.По лошадиным силам. Ques. Что такое лошадиная сила? ОТВЕТ. 33 000 футо-фунтов в минуту, 550 футо-фунтов в секунду или 1 980 000 футо-фунтов в час.

Вопросы. Что такое фут-фунт?
ОТВЕТ; Сила в один фунт, приложенная через один фут пространства.

Вопросы. Правильно ли говорить «лошадиная сила в минуту», «лошадиная сила в час» и т. д.?
ОТВЕТ. Нет. Если двигатель работает с мощностью 50 л.с., он все время производит 50 л.с. Часто делают ошибку, предполагая, что такой двигатель производит 50 лошадиных сил в минуту, а для 50 X 60 — 3000 лошадиных сил в час.

Вопросы. Что такое автономный двигатель?
ОТВЕТ. Автономный двигатель полностью зависит от собственной рамы, которая удерживает все его части вместе, и не нуждается в прочном фундаменте.

Примечание. Если пар достигает поршня на высоте 145 фунтов над атмосферой, теплота составляет около 363 градусов по Фаренгейту; при расширении до 30 фунтов над атмосферой температура падает примерно до 247 градусов по Фаренгейту; так что около 90 градусов вырабатываемого тепла было использовано. Это кажется небольшой пропорцией, но ее никогда нельзя сделать намного большей.Потери из-за слишком большого зазора, из-за начальной конденсации и повторного испарения сконденсированного пара к концу такта могут быть уменьшены с помощью разумной инженерной мысли, но нет никаких надежд на то, что максимальные потери тепла, присутствующие в выхлопном паре, когда-либо будут компенсированы. превосходить.

Вопросы. Что такое «правосторонний двигатель»?
ОТВЕТ. Двигатель, маховик которого находится справа, если смотреть со стороны цилиндра.

Вопросы. Что такое левосторонний двигатель?
ОТВЕТ. Двигатель, маховик которого находится слева, если смотреть со стороны цилиндра.

Вопросы. Что подразумевается под двигателем, работающим «сверху»?
ОТВЕТ. Верх колеса убегает от цилиндра.

Вопросы. Что подразумевается под двигателем, работающим «под»?
ОТВЕТ. Верхняя часть колеса движется к цилиндру.

Вопросы. Как чаще всего работают двигатели?
ОТВЕТ. Над.

Вопросы. Какие преимущества дает такая работа двигателя?
ОТВЕТ. Давление крейцкопфа всегда направлено вниз на направляющую, потому что, когда давление оказывается на головной конец поршня, усилие на шатун, который направлен вверх, реагирует на давление крейцкопфа вниз на направляющие; и когда давление оказывается на кривошипный конец цилиндра, крейцкопф будет тянуть кривошип, а поскольку кривошип находится ниже центральной линии, он все равно будет тянуть крейцкопф вниз на нижнюю направляющую.Если, с другой стороны, двигатель работает «под», то тяга траверсы будет приходиться на верхнюю направляющую как при движении наружу, так и во идеально параллельны в рабочем состоянии, траверса будет подниматься под действием тяги и падать под собственным весом на центры, заставляя двигатель работать.

Примечание. Неавтономный двигатель частично зависит от фундамента, который удерживает на месте некоторые его части, например внешний блок опоры и коленчатый вал.Фундаменты таких двигателей должны быть особенно хорошо спроектированы. Большинство высокоскоростных и вертикальных двигателей относятся к первому классу, в то время как длинноходные, тихоходные и среднеоборотные с балкой или тангейным станиной, а также сома-вертикальные двигатели относятся к неавтономным двигателям. В стационарной технике используется больше одиночных двигателей высокого давления, чем любых других. Они, при хорошем дизайне и хорошем уходе, могут быть очень экономичными.

Вопросы. Когда желательно иметь работающий двигатель tinder?
ОТВЕТ.Когда невозможно расположить двигатель так, чтобы придать правильное направление ремню от «перебегающего» колеса.

Ques. Что такое «одноклапанный» двигатель?
ANS. Двигатель, в котором один клапан управляет впуск и распределение пара для обоих концов цилиндра, как в обычном золотниковом двигателе

Вопрос Что такое «четырехклапанный двигатель «?
ОТВЕТ. Двигатель, имеющий отдельный паровой и выпускной клапан для каждого конца цилиндра, как двигатель Корлисса.

Вопрос. Что такое односторонний двигатель?
ОТВЕТ. Двигатель, в котором, как и в Вестингаузе, пар действует только на одну сторону поршня.

Вопросы. Что такое роторный двигатель?
ОТВЕТ. Это тот, в котором поршень и кривошип сформированы в одном месте, соединенном с валом и вращающемся в камере. Поршень вместо того, чтобы вернуться в исходную точку, продолжает вращаться в одном направлении. Это обычный двигатель, который не работает по принципу расширения.

Вопросы.Что означают термины «автомат» и «автоматический двигатель»?
ОТВЕТ. Автоматический означает самодействующий — в машинах он описывает определенные движения, обычно совершаемые вручную, которые выполняются самой машиной. Следовательно, автоматический двигатель является саморегулирующимся двигателем.

Примечание. — Есть веские основания полагать, что паровая машина сейчас настолько совершенна, насколько когда-либо будет создана, если только кто-нибудь не откроет новый способ передачи энергии от котла к приводному механизму.То, что будет открыт какой-то революционный метод, крайне маловероятно, и поэтому инженеры должны довольствоваться постоянным улучшением деталей и устранением утечек, которые оставляют открытыми дефектные конструкции. Между тем, около 90 процентов тепла, вырабатываемого в печи, будет продолжать выходить через дымовую трубу и выхлопное отверстие, а наука будет продолжать наблюдать за этим, будучи бессильной остановить или уменьшить эту огромную трату энергии». Что такое возвратно-поступательные части двигателя?
ANS.Все те части, которые движутся туда и сюда, являются возвратно-поступательными частями; 1, поршень; 2, шток поршня; 3 — крейцкопф; и 4, шатун. Шатун прикреплен к крейцкопфу, крейцкопф к штоку поршня, шток поршня к поршню, и последний приводится в действие непосредственно давлением пара.

Вопросы. Каково действие этих различных частей?
ОТВЕТ. Они выходят из состояния покоя в начале хода и постепенно приходят в движение, сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее до середины хода, когда они движутся с той же скоростью, что и шатунная шейка.После этого их движение замедляется до конца гребка, когда они снова останавливаются и повторяется то же действие. Таким образом, становится необходимым, чтобы крейцкопф останавливался в начале и в конце каждого хода.

Вопросы. На какие два класса делятся двигатели в зависимости от способа управления ими?
ОТВЕТ. Дросселирование и автоматическое отключение.

Вопросы. На какие два класса можно разделить двигатели с автоматическим отключением?
ОТВЕТ. Одноклапанные, в которых точка отсечки изменяется путем изменения величины хода клапана, и четырехклапанные двигатели, в которых отсечка обычно осуществляется с помощью механизма отсоединения или отключения под управлением губернатор.

Вопросы. В чем принципиальная разница между двигателем с автоматической отсечкой и дроссельным золотниковым клапаном?
ОТВЕТ. Двигатель с автоматическим отключением регулирует свою скорость, отключая пар в более ранней точке хода; это позволяет пару работать за счет расширения, повышая экономичность; давление, уменьшенное таким образом в цилиндре за счет расширения, будет регулировать скорость. Дроссельный двигатель с золотниковым клапаном регулирует свою скорость, дросселируя пар между котлом и цилиндром.

Примечание. — Конец одного хода является началом другого, а два — один оборот двигателя.

Вопросы. Какие особые преимущества заявлены для вертикальных или вертикальных двигателей?
Анс. Снижение сопротивления трения, особенно на поршнях; повышенная экономичность за счет тщательного осушения цилиндров; им требуется меньше площади для данной мощности; они более легкодоступны во многих своих частях, особенно в отношении клапанов, сальников и поршней.Цилиндры, стоящие вертикально, не подвергаются коррозии на своих изнашиваемых поверхностях, т.е. е. те части, которые подвергаются большему износу; их цилиндры менее подвержены аварии от заливания водой из паровых и выхлопных труб.

Вопросы. Каковы особые преимущества высокоскоростного двигателя?
ОТВЕТ. Говорят, что у быстроходных двигателей равномерность и плавность хода гораздо лучше, чем у тихоходных, благодаря большей быстроте действия автоматического регулятора, которым они снабжены, — отсюда и более совершенное регулирование; 2, подвижные части сравнительно легче, с большей изнашиваемой поверхностью; 3, они более компактны, занимают меньше места при той же мощности; 4, прямое действие и простота деталей; 5, меньше по стоимости при той же мощности; 6, они соответствуют современным достижениям.

Примечание. То, что эти преимущества становятся все более очевидными с каждым годом, видно из развития высокоскоростного двигателя с момента его первого появления. На Международной выставке в Вене в 1873 г. средняя скорость поршня выставленных там машин составляла [около 350 футов в минуту, а максимальная — около 420 футов в минуту, в то время как те же производители выставляли в 1888 г. на Венской промышленной выставке двигатели, скорость поршня составляла около 480 футов в минуту, а максимальная — почти 700 футов в минуту.На Международной выставке в Париже в 1889 г. скорость поршня достигала 780 футов, а на выставке электротехники во Франкфурте в 1891 г. максимальная скорость составляла 875 футов в минуту. В современных больших двигателях скорость 900 футов в минуту не считается чрезмерной, и даже в небольших электрических осветительных двигателях, известных как высокоскоростные двигатели, что означает высокую скорость вращения, скорость обычного поршня составляет от 700 до 800 футов в минуту. скорость.

Источники информации

• Новый катехизис паровой машины 1902 стр. 17-24

Технологии и стандарты жизни — паровая энергия

Выполнение взрывного переключения с пара на внутреннее сгорание

Паровые двигатели претерпели невероятную эволюцию в течение 100 лет , пройдя путь от скаковых лошадей до скорости более 200 км/ч, но в то же время технологии развивались в других направлениях.Изобретатели создавали самые первые двигатели внутреннего сгорания, и мир уже никогда не будет прежним.

Как и в случае с паровой энергетикой, история двигателей внутреннего сгорания явно нелинейна. Это еще более заметно для двигателей внутреннего сгорания, поскольку развитие паровой энергетики сильно увеличило количество различных изобретателей и инженеров, особенно по сравнению с периодом Гюйгенса-Папена.

Тем не менее, можно определить основную дорожную карту, как мы попытаемся продемонстрировать ниже.

Прежде чем начать, уточним термин «внутреннее сгорание». Помните, что в паровой машине, будь то «атмосферная» или «высокого давления», сгорание происходит в топке и нагревает вторичную жидкость — чаще всего воду — таким образом, чтобы она расширялась и работала в одном или нескольких цилиндрах. , либо через турбину: это двигатель внешнего сгорания (ЕЭК). Существуют и другие типы ECE, наиболее известными из которых являются двигатели с горячим воздухом (Stirling, Ericsson), как мы увидим чуть позже.

В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) сгорание происходит внутри цилиндра (или в самом сердечнике двигателя для газовых турбин), и газы, участвующие в сгорании, непосредственно расширяются для работы через поршень или турбину без какой-либо промежуточной жидкости. .Как мы увидим, это проще, дешевле и эффективнее.

Хотя мы уделяем больше внимания поршневым двигателям, к двигателям внутреннего сгорания также относятся, среди прочего, роторные двигатели Ванкеля, газовые турбины, турбовальные, турбореактивные, прямоточные и ракетные двигатели.

Явно опередив свое время — и до термодинамики и теорий Сади Карно — несколько прагматичных изобретателей разработали, построили и успешно эксплуатировали первые двигатели внутреннего сгорания в самом начале 19 ^го века.Давайте поговорим о двух главных героях.

Представляем Франсуа Исаака де Риваза

Франсуа Исаак де Риваз, родившийся в Париже в 1752 году, был французско-швейцарским артиллерийским офицером, политиком и изобретателем, который изобрел водородный двигатель внутреннего сгорания с электрическим зажиганием (с ручным приводом). Он описал этот новый двигатель во французском патенте, опубликованном в 1807 году.

В 1808 году де Риваз встроил его в примитивную рабочую машину — первый в мире автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, испытанный в Вале (Швейцария).Почему «внутреннее», а не «внешнее» горение? Это, вероятно, произошло из-за армейского опыта де Риваза с пушками, который навел его на мысль об использовании заряда взрывчатого вещества для непосредственного привода поршня. Вам не напоминает некоего Гюйгенса 1670-х годов?

Разница в том, что сейчас, примерно 130 лет спустя, знания и опыт позволили превратить идею в действующий двигатель без посредников пара.

Представляем Нисефор Ньепс

Нисефор Ньепс, первоначально известный как Жозеф, является знаменитым французским изобретателем, которому приписывают изобретение фотографии (1820-е годы).Вместе со своим братом Клодом братья Ньепс также известны созданием пиролофора, первого морского двигателя внутреннего сгорания.

Pyréolophore, Ou nouvelle Machine dont le principe moteur est l’air dilaté par le feu (Новая машина, принцип действия которой заключается в расширении воздуха огнем) — так называлась патентная заявка, написанная братьями Ньепс в 1807 году. подарен Наполеоном Бонапартом 20 июля 1807 г. [Дом-музей Ньепса].

Братья Ньепс жили в Ницце, когда они начали свой проект по созданию двигателя, основанного на недавно определенном принципе расширения горячего воздуха во время взрыва.Задача заключалась в том, чтобы найти способ использовать энергию, высвободившуюся в результате серии взрывов [Дом-музей Ньепса]. В 1806 году братья Ньепс представили доклад о своих исследованиях Французской национальной комиссии Академии наук (французский: Institute National de Science).

Вердикт Комиссии: «Топливо, обычно используемое ММ. Ньепс состоит из спор плауновидных, горение которых наиболее интенсивное и наиболее легкое; однако, поскольку этот материал был дорогостоящим, его заменили угольной пылью и при необходимости смешивали с небольшой порцией смолы, которая действует очень хорошо, как это было доказано многими опытами.

В машине Нисефора и Клода ни одна порция тепла не рассеивается заранее; движущая сила является мгновенным результатом, и весь эффект топлива используется для создания расширения, вызывающего движущую силу.

14 различных типов паровых двигателей [детали и работа]

В этом посте вы узнаете, что такое паровой двигатель и различные типы паровых двигателей , это детали , работающие и многое другое.

Паровые машины и их типы

В паровых машинах в качестве рабочего тела используется пар.Эти двигатели работают по принципу первого закона термодинамики, т. е. теплота и работа взаимообратимы.

В поршневой паровой машине, поскольку тепловая энергия пара преобразуется в механическую работу за счет возвратно-поступательного движения поршня, ее также называют поршневой паровой машиной. Кроме того, поскольку сгорание топлива происходит вне цилиндра двигателя, его также называют двигателем внешнего сгорания.

Типы паровых двигателей

Паровые двигатели классифицируются различными учеными на разных основаниях.

Но основными типами паровых машин являются следующие:

1. По числу рабочих ходов
   1. Паровая машина одностороннего действия
   2. Паровая машина двустороннего действия
2. По положению
   1. Паровая машина горизонтальная
   2. Машина вертикальная паровая
3. По частоте вращения коленчатого вала
   1. Тихоходная паровая машина
   2. Среднеоборотная паровая машина
   3. Высокоскоростная паровая машина
   4. Тип 904 выхлопа
      1. Конденсационный паровой двигатель
      2. Неконденсационный паровой двигатель
   5. По расширению пара в цилиндре двигателя
      1. Простая паровая машина
      2. Составная паровая машина
   6. По применяемому методу управления2
   7. Дросселирующий паровой двигатель
   8. Автомат отключения парового двигателя 9028 1

Читайте также: Паровые котлы: состав, виды, классификация, преимущества, применение.

1. Паровая машина одностороннего действия

Пар вводится с одной стороны поршня, и при каждом обороте коленчатого вала производится один рабочий ход, называется паровой машиной одностороннего действия.

2. Паровая машина двойного действия

Пар поступает с обеих сторон поршня, и при каждом обороте коленчатого вала производятся два рабочих хода. Это известно как паровая машина двойного действия. Паровая машина двойного действия производит в два раза больше энергии, чем паровая машина одинарного действия.

3. Горизонтальная паровая машина

Когда ось цилиндра расположена горизонтально, это называется горизонтальной паровой машиной.

4. Вертикальная паровая машина

Когда ось цилиндра расположена вертикально, это называется вертикальной паровой машиной. Вертикальная паровая машина требует меньше площади пола, чем горизонтальная машина.

5. Тихоходный паровой двигатель

Когда скорость коленчатого вала меньше 100 оборотов в минуту (об/мин), он называется тихоходным паровым двигателем.

6. Среднеоборотный паровой двигатель

При частоте вращения коленчатого вала от 25 до 100 об/мин. это называется среднескоростной паровой двигатель.

7. Высокоскоростной паровой двигатель

Точно так же, если скорость вращения коленчатого вала превышает 250 об/мин, он называется высокоскоростным паровым двигателем.

9. Конденсационный паровой двигатель

Когда пар после совершения работы в цилиндре поступает в конденсатор, который конденсирует пар в воду при давлении ниже атмосферного, говорят, что это конденсационный паровой двигатель.

10. Паровая машина без конденсации

Когда пар после выполнения работы в цилиндре выбрасывается в атмосферу, говорят, что это паровая машина без конденсации. Поэтому давление пара в цилиндре не должно падать ниже атмосферного давления.

11. Простая паровая машина

Когда пар расширяется в один цилиндр, а затем выбрасывается в атмосферу или в конденсатор, это называется простой паровой машиной.

12. Составной паровой двигатель

Расширение пара осуществляется в двух или более цилиндрах, двигатель известен как составной паровой двигатель.Составные паровые двигатели обычно представляют собой конденсационные двигатели. Но некоторые из них могут быть и без конденсации.

13. Дроссельная паровая машина

Когда скорость двигателя регулируется с помощью дроссельного клапана в паровой трубе, который регулирует давление пара в двигателе, это называется дроссельной паровой машиной.

14. Паровой двигатель с автоматическим отключением

С помощью регулятора автоматического отключения скорость регулируется путем контроля давления пара, он известен как паровой двигатель с автоматическим отключением.

Детали паровых машин

Все части паровой машины можно условно разделить на две группы, т. е. неподвижные части и движущиеся части. хотя паровая машина состоит из многих частей, как неподвижных, так и подвижных, все же

Следующие важные части паровой машины:

1. Рама
2. Цилиндр
3. Паровой колодец
4. D-Sliding Valve
5. D-Sliding Valve
6. Выхлопные части
7. Piston
8. Piston Rod
9. Поршневый стержень
10. Кребец
11. Кребец
12. Crankshaл
13. Excentric
14. эксцентриковый стержень
15. Excentric стержень и клапан стержень
16. Mywheel
17. губернатор

1.Рама

Это тяжелая чугунная деталь, которая поддерживает все с, а также движущиеся части и удерживает их в правильном положении. Он, как правило, опирается на фундаменты двигателя.

2. Цилиндр

Представляет собой чугунный цилиндрический полый сосуд, в котором поршень движется вперед-назад под давлением пара. Оба конца цилиндра герметизированы и сделаны паронепроницаемыми. В небольших паровых машинах цилиндр является составной частью рамы.

3. Пароварка

Отлита как неотъемлемая часть цилиндра.Он подает пар в цилиндр при движении D-золотника.

4. D-образный золотник

D-образный золотник перемещается в паровой камере простым гармоническим движением. Его функция состоит в том, чтобы в нужный момент выбрасывать выхлопной пар из цилиндра.

5. Впускная и выпускная части

Впускная и выпускная части представляют собой отверстия, предусмотренные в корпусе цилиндра для движения пара . Пар поступает из паровой камеры попеременно в обе стороны цилиндра через впускные отверстия.Выполнив свою работу в цилиндре, пар выбрасывается через выпускное отверстие.

6. Поршень

Представляет собой цилиндрический диск, двигающийся вперед и назад в цилиндре под действием давления пара. Работа поршней заключается в преобразовании тепловой энергии пара в механическую работу. Поршневые кольца изготовлены из чугуна и установлены в канавках поршня. Их цель – предотвратить утечку пара.

7. Шток поршня

Представляет собой круглый шток, соединенный с поршнем с одной стороны и крейцкопфом с другой.Его функция заключается в передаче движения от поршня к траверсе.

8. Крестовина

Является связующим звеном между штоком поршня и шатуном. Его функция заключается в управлении движением штока поршня и предотвращении его изгиба.

9. Шатун

Изготовлен из кованой стали, один конец которого соединен с крейцкопфом, а другой с кривошипом. Его функция заключается в преобразовании возвратно-поступательного движения поршня (или крейцкопфа) во вращательное движение кривошипа.

10. Коленчатый вал

Это вал двигателя с кривошипом. Кривошип работает по принципу рычага и производит вращательное движение вала. Коленчатый вал удерживается на коренных подшипниках двигателя.

11. Эксцентрик

Обычно изготавливается из чугуна и устанавливается на коленчатый вал. Его работа заключается в создании возвратно-поступательного движения к золотнику.

12. Эксцентриковый шток и шток клапана

Эксцентриковый шток изготовлен из кованой стали, один конец прикреплен к эксцентрику, а другой к штоку клапана.Его функция заключается в преобразовании вращательного движения коленчатого вала в возвратно-поступательное движение штока клапана. Шток клапана прикрепляет эксцентриковый шток и D-образный золотник. Его функция заключается в обеспечении простого гармонического движения D-задвижки.

13. Маховик

Маховик представляет собой тяжелое чугунное колесо, прикрепленное к коленчатому валу. Его функция заключается в предотвращении колебаний двигателя. Это также предотвращает рывки коленчатого вала.

14. Регулятор

Регулятор – это устройство, которое поддерживает более или менее постоянную скорость вращения двигателя в условиях нагрузки.Это делается либо путем регулирования величины давления пара, подаваемого в двигатель.

Принцип работы

Принцип работы одноцилиндровой горизонтальной поршневой паровой машины двойного действия:

Основные части одноцилиндровой горизонтальной поршневой машины двойного действия показаны на рисунке.

Перегретый пар под высоким давлением (около 20 атм) из котла подается в паросборник. После этого пар поступает в цилиндр через любое из отверстий «а» или «б» в зависимости от положения D-золотника.

Когда порт «а» открыт, пар устремляется к левой стороне поршня и толкает его вправо. На этом этапе золотниковый клапан закрывает выпускное отверстие и другое отверстие для пара, как показано на рисунке. Так как давление пара слева больше, чем справа, поршень движется вправо.

Когда поршень приближается к концу цилиндра, он закрывает паровой канал «а» и выпускной канал. Отверстие «b» теперь открыто, и пар проходит к правой стороне поршня.

Это толкает поршень влево, и в то же время выхлопной пар выходит через выхлопную трубу и, таким образом, завершает рабочий цикл. Тот же процесс повторяется в других циклах работы, и в таком виде двигатель работает.

Примечание

В конце каждого хода поршень меняет направление движения и на мгновение останавливается. Кривошип идет на одной линии с поршневым штоком. Крайние левое и правое положения кривошипа, при которых шток поршня не имеет тенденции к вращению на главном валу, называются мертвыми точками кривошипа.

Вот и все, спасибо за чтение, если вам понравилась эта статья « типов паровых двигателей », поделитесь ею с друзьями. Есть вопросы, чтобы задать оставить комментарий.

Полезные ссылки:

Патент США на патент парового двигателя внутреннего сгорания (Патент № 4,783,963, выдан 15 ноября 1988 г.)

Патент США. 3,959,974, 4,301,655 и 4,417,447, выданные LB Thomas, раскрывают несколько вариантов осуществления комбинированного двигателя внутреннего сгорания с паром, мощность которого увеличена, а эффективность улучшена за счет циклического впрыска воды через головку блока цилиндров в камеру сгорания выше поршень, когда силовой цилиндр достаточно горячий для производства перегретого пара.В то время как все три запатентованные конструкции двигателя достигают перечисленных целей, усовершенствование здесь включает в себя конструкцию двигателя, которая будет более полно выпускать все продукты сгорания и улучшать характеристики мощности бензинового или дизельного двигателя. Кроме того, эти патенты представляют собой усовершенствования двухтактных двигателей, и концепция впрыска воды может быть улучшена за счет использования четырехтактного принципа и использования двух вспомогательных цилиндров для выполнения четырехтактной операции.

Соответственно, целью настоящего изобретения является создание двигателя внутреннего сгорания с впрыском воды, который может быть сконструирован для работы либо по дизельному принципу воспламенения от сжатия, либо по принципу Отто низкой степени сжатия с использованием карбюратора или впрыска топлива и искрового зажигания.Любая технология будет производить тепло, необходимое для внутреннего сгорания для производства перегретого пара в соответствии с изобретением.

Другой целью настоящего изобретения является создание нового и усовершенствованного двигателя внутреннего сгорания с впрыском воды четырехтактной конструкции, отличающегося наличием комплектов из по меньшей мере двух сопутствующих цилиндров, разделенных по меньшей мере одним перепускным клапаном, один из которых цилиндров инициирует сгорание, при этом горючие газы нагнетаются через перепускной клапан во второй силовой цилиндр, где впрыскивается вода и завершаются рабочий и выпускной такты.

Еще одной задачей изобретения является создание четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с впрыском воды либо с воспламенением от сжатия, либо с искровым зажиганием, который характеризуется по меньшей мере двумя вспомогательными цилиндрами, имеющими керамические гильзы на верхних концах и взаимодействующие поршни с верхними керамическими поверхностями для возвратно-поступательного движения в цилиндрах соответственно с парой перепускных клапанов, расположенных между цилиндрами.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание четырехтактного двигателя с впрыском воды, который может быть адаптирован для работы с воспламенением от сжатия или с искровым зажиганием, при этом двигатель включает по меньшей мере одну пару сопутствующих цилиндров сжатия и мощности, обслуживаемых керамическими поршнями, каждый из которых цилиндров, имеющих обычную нижнюю часть и керамическую верхнюю часть для работы при высоких температурах, с парой перепускных клапанов, расположенных между компрессионным и силовым цилиндрами и сообщающихся с ними, при этом топливно-воздушная смесь сначала сжимается и сгорает в компрессионном цилиндр, а затем направляется через перепускные клапаны в силовой цилиндр, где вырабатывается пар для улучшения цикла мощности.

Эти и другие объекты изобретения относятся к двигателю с впрыском воды, четырехтактному двигателю с воспламенением от сжатия или искровому воспламенению, имеющему по меньшей мере один цилиндр сжатия и поршень, а также сопутствующий силовой цилиндр и поршень, в котором воздух или воздух и топливо, в зависимости от при работе по циклу Дизеля или Отто всасываются или нагнетаются турбонагнетателем в цилиндр сжатия, когда соответствующий поршень сжатия движется вниз в первом рабочем цикле.Затем воздух или воздух и топливо сжимаются обратным ходом поршня сжатия вверх, топливо вводится в цилиндр сжатия в условиях работы дизеля, и в цилиндре сжатия происходит сгорание. Пока горит топливо, а поршень сжатия все еще движется вверх, перепускной клапан или клапаны, расположенные между каждым цилиндром сжатия и рабочим цилиндром, открываются и позволяют горячим газам проходить в рабочий цилиндр для завершения второго цикла четырехцилиндрового двигателя. работа цикла.Рабочий поршень, работающий в силовом цилиндре, предназначен для работы примерно на 50 градусов впереди поршня сжатия в цилиндре сжатия и уже достиг верхней мертвой точки и начал опускаться на такте рабочего хода, когда перепускной клапан или клапаны закрываются, тем самым изолируя горячий воздух. газов в силовом цилиндре. Когда рабочий поршень приближается к нижней части рабочего такта, выпускной клапан или клапаны открываются, завершая, таким образом, третий рабочий цикл. Все газы выбрасываются из силового цилиндра силовым поршнем, когда он движется вверх на четвертом такте, затем выпускной клапан закрывается, и снова начинается первый рабочий цикл.Силовой цилиндр и силовой поршень сильно нагреваются, так как горючие газы передаются в силовой цилиндр вскоре после начала сгорания в цилиндре сжатия. В результате этого в цилиндре сжатия поглощается очень мало тепла.

. Поршни, использованные в этом изобретении, идентичны поршням, описанным в моем патенте США No. № 3 959 974. Они представляют собой керамические поршни вытеснительного типа с безкольцевой верхней частью, способные выдерживать высокие температуры. Керамические поршни работают в гильзе цилиндра, изготовленной из того же керамического материала, что и поршни, наиболее предпочтительно из производного карбида кремния, как описано ниже.Эта комбинация силового поршня и взаимодействующей с ним гильзы цилиндра не требует смазки в горячей верхней части двигателя.

РИС. 1 представляет собой типичный вертикальный разрез двух цилиндров усовершенствованного двигателя по настоящему изобретению, показывающий поршень сжатия, перепускной клапан и рабочий поршень, сконструированные в соответствии с изобретением с использованием принципа цикла Дизеля;

РИС. 2 представляет собой типичный вертикальный разрез цилиндров усовершенствованного двигателя, показывающий поршень сжатия, перепускной клапан и рабочий поршень, сконструированные в соответствии с изобретением с использованием принципа цикла Отто;

РИС.3 представляет собой вертикальное поперечное сечение узла перепускного клапана, показывающее два перепускных клапана и связанные с ними элементы; и

РИС. 4 представляет собой вид в горизонтальном разрезе верхнего блока двигателя, также показывающий две передачи, показанные на фиг. 3.

Ссылаясь на ФИГ. 1, 3 и 4 чертежей для простоты проиллюстрирована пара сопутствующих комбинаций цилиндра и поршня, хотя следует понимать, что изобретение может быть реализовано в двигателях, имеющих различное количество цилиндров в различных конфигурациях двигателя.Как показано, компрессионный цилиндр 12 снабжен керамической гильзой 25 в его верхней части и содержит компрессионный поршень 1, имеющий керамическую компрессионную поршневую часть 22, как показано. Сопутствующий силовой цилиндр 11 также снабжен керамической гильзой 25 и содержит силовой поршень 2, имеющий керамическую часть 20 рабочего поршня. Керамическая часть 22 поршня сжатия и керамическая часть 20 рабочего поршня работают в верхнем блоке 9 цилиндров, который содержит керамические вкладыши 25.Нижняя компрессионная часть 27 компрессионного поршня 1 и нижняя силовая часть 13 силового поршня 2 изготовлены из металла обычным способом и снабжены обычными кольцами 14. Нижняя компрессионная часть 27 и керамическая компрессионная часть 22 поршня, а также так как нижняя силовая часть 13 и керамическая часть силового поршня 20 поршня сжатия 1 и силового поршня 2 соответственно совершают возвратно-поступательное движение в обычных каналах 3 цилиндра, соответственно, предусмотренных в блоке 10 двигателя.Обычные поршневые штоки 15 приводят в движение поршень сжатия 1, а также, соответственно, силовой поршень 2 от общего коленчатого вала (не показан). Поскольку конфигурация поршня и цилиндра, показанная на фиг. 1 предназначен для работы на дизельном топливе, в головке 10а над цилиндром сжатия 12 предусмотрена топливная форсунка 21 вместе с датчиком температуры 17 цилиндра сжатия и впускным клапаном 30, расположенным во впускном отверстии 30а. Выпускной клапан 8 расположен в выпускном отверстии 8а головки 10а над силовым цилиндром 11 вместе с водяной форсункой 23, датчиком 16 температуры силового цилиндра и датчиком 32 температуры выхлопа, расположенными в выпускном отверстии 8а.Пара перепускных клапанов 28, каждый из которых имеет корпус 29 клапана, установленный с возможностью вращения в клапанном цилиндре 29а, расположена в головке 10а между цилиндром сжатия 12 и силовым цилиндром 11. Нижние сегменты перепускных клапанов 28 установлены в верхний блок цилиндров 9 с помощью монтажной пластины клапана 31 и крепежного болта 33, как показано на фиг. 3.

Обратимся теперь к ФИГ. 2, 3 и 4 чертежей показана конфигурация второго цилиндра 12 сжатия и силового цилиндра 11, которая идентична конфигурации, показанной на фиг.1, за исключением свечи зажигания 34, расположенной в головке 10а и входящей в отверстие 3 цилиндра сжатия 12. Конфигурация двигателя, показанная на фиг. 2 настроен на работу с искровым зажиганием и также включает пару перепускных клапанов 28, расположенных между цилиндром сжатия 12 и силовым цилиндром 11. Как показано на ФИГ. 3 и 4 чертежей, в наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения пара перепускных клапанов 28 предпочтительно расположена между соответствующими цилиндрами сжатия 12 и рабочими цилиндрами 11 как в версиях двигателя с воспламенением от сжатия, так и в версиях двигателя с искровым зажиганием, которые проиллюстрированы на фиг.1 и 2 соответственно. Каждый из корпусов 29 перепускных клапанов 28 снабжен каналом 26, расположенным в его нижней части, и портом 29b регистрирующего клапана, расположенным в соответствующих цилиндрах 29а клапана. Это механическое устройство облегчает передачу горячих сжатых газов сгорания из цилиндра сжатия 12 в силовой цилиндр 11, как описано ниже.

Снова обратимся к ФИГ. 1, 3 и 4 чертежей принцип четырехтактного дизеля начинает работать в первой конфигурации двигателя, модифицированной в соответствии с настоящим изобретением, когда поршень сжатия 1, расположенный в цилиндре сжатия 12, начинает опускаться на первом такте за счет работы обычный стартерный механизм (не показан).Затем открывается впускной клапан 30, и воздух всасывается за счет всасывания или нагнетается турбонагнетателем через впускное отверстие 30а в отверстие 3 цилиндра сжатия 12. Когда поршень сжатия 1 начинает подниматься вверх, чтобы начать второй цикл сжатия, впускной клапан 30 закрывается, и воздух сжимается до точки воспламенения сжатия. Затем топливо впрыскивается через топливную форсунку 21 в отверстие 3 цилиндра сжатия 12 и начинает гореть. В этот момент перепускной клапан 28 открывается, и горячие горючие газы проходят через соответствующие совмещенные клапанные порты 29b и каналы 26, расположенные в корпусах клапанов 29 и клапанных цилиндрах 29а перепускных клапанов 28, в силовой цилиндр 11 над керамическим блоком питания. поршневая часть 20 силового поршня 2.Силовой поршень 2 к этому времени достиг верхней мертвой точки силового цилиндра 11 и начал рабочий ход вниз. Поршень 1 сжатия продолжается вверх в цилиндре 12 сжатия до верхней мертвой точки, вытесняя все горячие газы через отверстия 29b клапана и каналы 26 в отверстие 3 цилиндра силового цилиндра 11, после чего перепускные клапаны 28 закрываются. Когда рабочий поршень 2 достигает нижней точки рабочего такта, выпускной клапан 8 открывается, и все газы выбрасываются через выпускной канал 8а, когда рабочий поршень 2 меняет направление и движется вверх.Когда рабочий поршень 2 достигает верхней точки рабочего хода, выпускной клапан 8 закрывается.

Когда керамическая гильза 25 в силовом цилиндре 11 и керамическая часть 20 силового поршня достаточно нагреты, цепь через тепловой датчик 16 силового цилиндра (не показан) замыкается, и компьютер (не показан) инициирует паровой цикл. Небольшое количество воды впрыскивается под высоким давлением через водяной инжектор 23 в отверстие горячего цилиндра 3, и водяной пар попадает на верхнюю часть керамического поршня 20 рабочего поршня 2, производя перегретый пар. за несколько миллисекунд.Давление и расширение пара толкают силовой поршень 2 вниз в силовом цилиндре 11 на рабочем такте.

Обратимся теперь к фиг. 2, четырехтактный цикл двигателя Отто начинается, когда поршень сжатия 1, расположенный в цилиндре сжатия 12, начинает опускаться на первом такте. Впускной клапан 30 открывается, и горючая смесь воздуха и топлива всасывается или за счет всасывания, нагнетаемого турбокомпрессором, через впускной канал 30а в канал 3 цилиндра сжатия 12.Когда поршень сжатия 1 начинает подниматься вверх в цилиндре сжатия 12, чтобы начать второй цикл, цикл впуска 30 закрывается, и горючая смесь сжимается и воспламеняется свечой зажигания 34. В этот момент перепускные клапаны 28 открываются под действием кулачка (не показан) или альтернативными способами, известными специалистам в данной области техники, и горячие, горящие газы проходят через порты 29b клапана и каналы 26 в канал 3 цилиндра силового цилиндра 11 над силовым поршнем 2, который за счет на этот раз достиг верхней мертвой точки и начал движение вниз на рабочем такте.Тем временем поршень сжатия 1 продолжает движение вверх к верхней мертвой точке в цилиндре сжатия 12, нагнетая все горячие газы в силовой цилиндр 11, и перепускной клапан 28 затем закрывается. Когда силовой поршень 2 достигает нижней точки рабочего такта, выпускной клапан 8 открывается, и все газы выбрасываются через выпускное отверстие 8а, поскольку силовой поршень 2 меняет направление и движется вверх; когда рабочий поршень 2 достигает верхней точки такта выпуска, выпускной клапан 8 закрывается.

Когда керамическая гильза 25 силового цилиндра 11 и керамическая часть силового поршня 20 силового поршня 2 достаточно нагреты, цепь через тепловой датчик силового цилиндра 16 замыкается, и компьютер (не показан) начинает паровой цикл, как в случай конфигурации дизельного двигателя, показанный на фиг.1. Как описано выше, небольшое количество воды впрыскивается под высоким давлением в канал 3 горячего цилиндра и на верхнюю часть керамической части 20 силового поршня 2, производя перегретый пар. Давление и расширение пара в сочетании с расширяющимися газами сгорания толкают силовой поршень 2 вниз на такте рабочего хода.

В обоих вариантах, показанных на ФИГ. 1 и 2, двигатель по настоящему изобретению может работать с одним или несколькими перепускными клапанами 28, расположенными между каждым набором сопутствующих цилиндров сжатия 12 и силовых цилиндров 11, соответственно, как было отмечено выше.Конфигурация перепускного клапана 28, показанная на фиг. 3 и 4 показано использование двух перепускных клапанов 28, изготовленных из стойкого к высоким температурам материала, подобного карбиду кремния, не требующего смазки и способного выдерживать очень высокие температуры. В первом рабочем режиме каждый перепускной клапан 28 открывается путем поворота корпуса 29 клапана примерно на 90 градусов для совмещения прохода 26 с соответствующим портом 29b клапана, расположенным в цилиндре 29а клапана, и поворотом корпуса 29 клапана обратно в исходное положение для закрыть проход 26.Во втором рабочем режиме каждый перепускной клапан 28 также может открываться и закрываться путем подъема и опускания каждого корпуса 29 клапана относительно цилиндра 29а клапана в качестве золотникового клапана с использованием кулачкового действия, как в обычных двигателях, использующих верхние клапаны. Как показано на фиг. 4 один из перепускных клапанов 28 показан в открытом положении, а другой перепускной клапан 28 показан в закрытом положении; однако в предпочтительном режиме работы оба перепускных клапана 28 будут открываться и закрываться при одновременном повороте соответствующих корпусов 29 клапанов.

В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения предпочтительный материал конструкции для гильз 25 цилиндра сжатия 12 и силового цилиндра 11 соответственно, керамической поршневой части 22 компрессионного поршня 1, керамической части силового поршня 20 силовой поршень 2 и все компоненты перепускных клапанов 28, аналогичны карбидокремниевой керамике. Однако, согласно знаниям специалистов в данной области техники, в двигателе по настоящему изобретению могут использоваться другие керамические материалы, которые будут сохранять структурную целостность при высоких температурах.