Паровой двигатель принцип действия: Паровой двигатель, принцип работы

Изобретение парового двигателя. Современный вариант парового двигателя Устройство паровой машины и его работа

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

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

Понятие

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

История изобретения

История изобретения паровых машин связана со знаниями древнегреческой цивилизации. Долгое время трудами этой эпохи никто не пользовался. В XVI веке была предпринята попытка создать паровую турбину. Работал над этим в Египте турецкий физик и инженер Такиюддин аш-Шами.

Интерес к этой проблеме вновь появился в XVII веке. В 1629 году Джованни Бранка предложил свой вариант паровой турбины. Однако изобретения теряли большое количество энергии. Дальнейшие разработки требовали соответствующих экономических условий, которые появятся позднее.

Первым, кто изобрел паровую машину, считается Дени Папен. Изобретение представляло собой цилиндр с поршнем, поднимающимся за счет пара и опускающимся в результате его сгущения. Такой же принцип работы имели устройства Сэвери и Ньюкомена (1705). Оборудование применяли для выкачивания воды из выработок при добыче полезных ископаемых.

Окончательно усовершенствовать устройство удалось Уатту в 1769 году.

Изобретения Дени Папена

Дени Папен был по образованию медиком. Родившись во Франции, в 1675 году он переехал в Англию. Он известен многими своими изобретениями. Одним из них является скороварка, которую называли «Папенов котел».

Ему удалось выявить зависимость между двумя явлениями, а именно температурой кипения жидкости (воды) и появляющимся давлением. Благодаря этому он создал герметичный котел, внутри которого давление было повышено, из-за чего вода закипала позже обычного и повышалась температура обработки помещенных в него продуктов. Таким образом увеличивалась скорость приготовления пищи.

В 1674 году медик-изобретатель создал пороховой двигатель. Его работа заключалась в том, что при возгорании пороха в цилиндре перемещался поршень. В цилиндре образовывался слабый вакуум, и атмосферное давление возвращало поршень на место. Образующиеся при этом газообразные элементы выходили через клапан, а оставшиеся охлаждались.

К 1698 году Папену удалось создать по такому же принципу агрегат, работающий не на порохе, а на воде. Таким образом, первая паровая машина была создана. Несмотря на существенный прогресс, к которому могла привести идея, существенной выгоды она своему изобретателю не принесла. Связано это было с тем, что ранее другой механик, Сейвери, уже запатентовал паровой насос, а другого применения для подобных агрегатов к этому времени еще не придумали.

Дени Папен умер в Лондоне в 1714. Несмотря на то, что первая паровая машина была изобретена им, он покинул этот мир в нужде и одиночестве.

Изобретения Томаса Ньюкомена

Более удачливым в плане дивидендов оказался англичанин Ньюкомен. Когда Папен создал свою машину, Томасу было 35 лет. Он внимательно изучил работы Сэйвери и Папена и смог понять недостатки обеих конструкций. Из них он взял все лучшие идеи.

Уже к 1712 году в сотрудничестве с мастером по стеклам и водопроводам Джоном Калли он создал свою первую модель. Так продолжилась история изобретения паровых машин.

Кратко можно пояснить созданную модель так:

• Конструкция совмещала в себе вертикальный цилиндр и поршень, как у Папена.
• Создание пара происходило в отдельном котле, который работал по принципу машины Сэйвери.
• Герметичность в паровом цилиндре достигалась за счет кожи, которой был обтянут поршень.

Агрегат Ньюкомена подымал воду из копей с помощью воздействия атмосферного давления. Машина отличалась солидными размерами и требовала для работы большого количества угля. Несмотря на эти недостатки, модель Ньюкомена использовали в шахтах полвека. Она даже позволила вновь открыть шахты, которые были заброшены из-за подтопления грунтовыми водами.

В 1722 году детище Ньюкомена доказало свою эффективность, откачав воду из корабля в Кронштадте всего за две недели. Система с ветряной мельницей смогла бы сделать это за год.

Из-за того, что машина была создана на основе ранних вариантов, английский механик не смог получить на нее патент. Конструкторы пытались применить изобретение для движения транспортного средства, но неудачно. На этом история изобретения паровых машин не прекратилась.

Изобретение Уатта

Первым изобрел оборудование компактных размеров, но достаточно мощное, Джеймс Уатт. Паровая машина была первой в своем роде. Механик из университета Глазго в 1763 году принялся чинить паровой агрегат Ньюкомена. В результате ремонта он понял, как сократить расход топлива. Для этого необходимо было держать цилиндр в постоянно нагретом состоянии. Однако паровая машина Уатта не могла быть готова, пока не решилась проблема конденсации пара.

Решение пришло, когда механик проходил мимо прачечных и заметил, что клубы пара выходят из-под крышек котлов. Он понял, что пар — это газ, и ему нужно перемещаться в цилиндре с пониженным давлением.

Добившись герметичности внутри парового цилиндра с помощью пеньковой веревки, пропитанной маслом, Уатт смог отказаться от атмосферного давления. Это стало большим шагом вперед.

В 1769 году механик получил патент, в котором прописывалось, что температура двигателя в паровой машине будет всегда равна температуре пара. Однако дела незадачливого изобретателя шли не так хорошо, как ожидалось. Он был вынужден заложить патент за долги.

В 1772 году он знакомится с Мэтью Болтоном, который был богатым промышленником. Тот выкупил и вернул Уатту его патенты. Изобретатель вернулся к работе, поддерживаемый Болтоном. В 1773 году паровая машина Уатта прошла испытание и показала, что потребляет угля значительно меньше своих аналогов. Через год в Англии начался выпуск его машин.

В 1781 году изобретателю удалось запатентовать свое следующее творение — паровую машину для приведения в движение промышленных станков. Спустя время все эти технологии позволят двигать при помощи пара поезда и пароходы. Это полностью перевернет жизнь человека.

Одним из людей, изменивших жизнь многих, стал Джеймс Уатт, паровая машина которого ускорила технический прогресс.

Изобретение Ползунова

Проект первой паровой машины, которая могла приводить в действие разнообразные рабочие механизмы, был создан в 1763 году. Разработал его русский механик И.Ползунов, работавший на горнорудных заводах Алтая.

Начальник заводов был ознакомлен с проектом и получил добро на создание устройства из Петербурга. Паровая машина Ползунова была признана, и работа по ее созданию была возложена на автора проекта. Последний хотел сперва собрать модель в миниатюре, чтобы выявить и устранить возможные недочеты, которые не видны на бумаге. Однако ему приказали начать строительство большой мощной машины.

Ползунову предоставили помощников, из которых двое были склонны к механике, а двое должны были выполнять подсобные работы. На создание паровой машины ушел один год и девять месяцев. Когда паровая машина Ползунова была почти готова, он заболел чахоткой. Умер создатель за несколько дней до проведения первых испытаний.

Все действия в машине проходили автоматически, она могла работать беспрерывно. Это было доказано в 1766 году, когда ученики Ползунова провели последние испытания. Спустя месяц оборудование было сдано в эксплуатацию.

Машина не просто окупила затраченные средства, но и дала прибыль своим владельцам. К осени котел дал течь, и работы остановились. Агрегат можно было починить, но это не заинтересовало заводское начальство. Машина была заброшена, а спустя десятилетие разобрана по ненадобности.

Принцип действия

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

Принцип действия лучше изучить с помощью иллюстрации, представленной ниже.

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

Коэффициент полезного действия

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

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

Преимущества

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

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

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

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

Недостатки

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

Применение

Кто изобрел паровую машину, уже известно. Осталось узнать, где их применяли. До середины ХХ века паровые машины применяли в промышленности. Также их использовали для железнодорожного и парового транспорта.

Заводы, которые эксплуатировали паровые двигатели :

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

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

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

Транспорт с паровым двигателем:

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

Такова история изобретения паровых машин. Кратко можно рассмотреть удачный пример о гоночном автомобиле Серполле, созданном в 1902 году. На нем был установлен мировой рекорд по скорости, который составил 120 км в час на суше. Именно поэтому паровые авто были конкурентоспособными по отношению к электрическим и бензиновым аналогам.

Так, в США в 1900 году больше всего было выпущено паровых машин. Они встречались на дорогах до тридцатых годов ХХ века.

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

Стимпанк как веяние эпохи паровых машин

Говоря о паровых машинах, хочется упомянуть о популярном направлении — стимпанке. Термин состоит из двух английских слов — «пар» и «протест». Стимпанк — это вид научной фантастики, которая повествует о второй половине XIX века в викторианской Англии. Данный период в истории часто упоминается как Эпоха пара.

Все произведения имеют одну отличительную особенность — они повествуют о жизни второй половины XIX века, стиль повествования при этом напоминает роман Герберта Уэллса «Машина времени». В сюжетах описываются городские пейзажи, общественные строения, техника. Особое место уделяется дирижаблям, старинным машинам, причудливым изобретениям. Все металлические детали крепились при помощи клепок, поскольку сварку еще не применяли.

Термин «стимпанк» возник в 1987 году. Его популярность связана с появлением романа «Разностная машина». Написан он был в 1990 году Уильямом Гибсоном и Брюсом Стерлингом.

В начале XXI века в этом направлении было выпущено несколько известных кинофильмов:

• «Машина времени»;
• «Лига выдающихся джентльменов»;
• «Ван Хельсинг».

К предтечам стимпанка можно отнести произведения Жюля Верна и Григория Адамова. Интерес к этому направлению время от времени проявляется во всех сферах жизни — от кинематографа до повседневной одежды.

Осмотр музейной экспозиции я пропущу и перейду сразу к машинному залу. Кому интересно, тот может найти полную версию поста у меня в жж. Машинный зал находится в этом здании:

29. Зайдя внутрь, у меня сперло дыхание от восторга — внутри зала была самая красивая паровая машина из всех, что мне доводилось видеть. Это был настоящий храм стимпанка — сакральное место для всех адептов эстетики паровой эры. Я был поражен увиденным и понял, что совершенно не зря заехал в этот городок и посетил этот музей.

30. Помимо огромной паровой машины, являющейся главным музейным объектом, тут также были представлены различные образцы паровых машин поменьше, а на многочисленных инфостендах рассказывалась история паровой техники. На этом снимке вы видите полностью функционирующую паровую машину, мощностью 12 л. с.

31. Рука для масштаба. Машина была создана в 1920 году.

32. Рядом с главным музейным экземпляром экспонируется компрессор 1940 года выпуска.

33. Этот компрессор в прошлом использовался в железнодорожных мастерских вокзала Вердау.

34. Ну а теперь рассмотрим детальней центральный экспонат музейной экспозиции — паровую 600-сильную машину 1899 года выпуска, которой и будет посвящена вторая половина этого поста.

35. Паровая машина является символом индустриальной революции, произошедшей в Европе в конце 18-го — начала 19-го века. Хотя первые образцы паровых машин создавались различными изобретателями еще в начале 18-го века, но все они были непригодны для промышленного использования так как обладали рядом недостатков. Массовое применение паровых машин в индустрии стало возможным лишь после того, как шотландский изобретатель Джеймс Уатт усовершенствовал механизм паровой машины, сделав ее легкой в управлении, безопасной и в пять раз мощней существовавших до этого образцов.

36. Джеймс Уатт запатентовал свое изобретение в 1775 году и уже в 1880-х годах его паровые машины начинают проникать на предприятия, став катализатором индустриальной революции. Произошло это прежде всего потому, что Джеймсу Уатту удалось создать механизм преобразования поступательного движения паровой машины во вращательное. Все существовавшие до этого паровые машины могли производить лишь поступательные движения и использоваться только лишь в качестве насосов. А изобретение Уатта уже могло вращать колесо мельницы или привод фабричных станков.

37. В 1800 году фирма Уатта и его компаньона Болтона произвела 496 паровых машин из которых лишь 164 использовались в качестве насосов. А уже в 1810 году в Англии насчитывалось 5 тысяч паровых машин, и это число в ближайшие 15 лет утроилось. В 1790 году между Филадельфией и Берлингтоном в США стала курсировать первая паровая лодка, перевозившая до тридцати пассажиров, а в 1804 году Ричард Тревинтик построил первый действующий паровой локомотив. Началась эра паровых машин, которая продлилась весь девятнадцатый век, а на железной дороге и первую половину двадцатого.

38. Это была краткая историческая справка, теперь вернемся к главному объекту музейной экспозиции. Паровая машина, которую вы видите на снимках, была произведена фирмой Zwikauer Maschinenfabrik AG в 1899 году и установлена в машинном зале прядильной фабрики «C.F.Schmelzer und Sohn». Паровая машина предназначалась для привода прядильных станков и в этой роли использовалась вплоть до 1941 года.

39. Шикарный шильдик. В то время индустриальная техника делалась с большим вниманием к эстетическому виду и стилю, была важна не только функциональность, но и красота, что отражено в каждой детали этой машины. В начале ХХ века некрасивую технику просто никто бы не купил.

40. Прядильная фабрика «C.F.Schmelzer und Sohn» была основана в 1820 году на месте теперешнего музея. Уже в 1841 году на фабрике была установлена первая паровая машина, мощностью 8 л. с. для привода прядильных машин, которая в 1899 году была заменена новой более мощной и современной.

41. Фабрика просуществовала до 1941 года, затем производство было остановлено в связи с началом войны. Все сорок два года машина использовалась по назначению, в качестве привода прядильных станков, а после окончания войны в 1945 — 1951 годы служила в качестве резервного источника электроэнергии, после чего была окончательно списана с баланса предприятия.

42. Как и многих ее собратьев, машину ждал бы распил, если бы не один фактор. Данная машина являлась первой паровой машиной Германии, которая получала пар по трубам от расположенной в отдалении котельной. Кроме того она обладала системой регулировки осей от фирмы PROELL. Благодаря этим факторам машина получила в 1959 году статус исторического памятника и стала музейной. К сожалению, все фабричные корпуса и корпус котельной были снесены в 1992 году. Этот машинный зал — единственное, что осталось от бывшей прядильной фабрики.

43. Волшебная эстетика паровой эры!

44. Шильдик на корпусе системы регулировки осей от фирмы PROELL. Система регулировала отсечку — количество пара, которое впускается в цилиндр. Больше отсечка — больше экономичность, но меньше мощность.

45. Приборы.

46. По своей конструкции данная машина является паровой машиной многократного расширения (или как их еще называют компаунд-машиной). В машинах этого типа пар последовательно расширяется в нескольких цилиндрах возрастающего объёма, переходя из цилиндра в цилиндр, что позволяет значительно повысить коэфициент полезного действия двигателя. Эта машина имеет три цилиндра: в центре кадра находится цилиндр высокого давления — именно в него подавался свежий пар из котельной, затем после цикла расширения, пар перепускался в цилиндр среднего давления, что расположен справа от цилиндра высокого давления.

47. Совершив работу, пар из цилиндра среднего давления перемещался в цилиндр низкого давления, который вы видите на этом снимке, после чего, совершив последнее расширение, выпускался наружу по отдельной трубе. Таким образом достигалось наиболее полное использование энергии пара.

48. Стационарная мощность этой установки составляла 400-450 л.с., максимальная 600 л.с.

49. Гаечный коюч для ремонта и обслуживания машины впечатляет размерами. Под ним канаты, при помощи которых вращательное движения передавалось с маховика машины на трансмиссию, соединенную с прядильными станками.

50. Безупречная эстетика Belle Époque в каждом винтике.

51. На этом снимке можно детально рассмотреть устройство машины. Расширяющийся в цилиндре пар передавал энергию на поршень, который в свою очередь осуществлял поступательное движение, передавая его на кривошипно-ползунный механизм, в котором оно трансформировалось во вращательное и передавалось на маховик и дальше на трансмиссию.

52. В прошлом с паровой машиной также был соединен генератор электрического тока, который тоже сохранился в прекрасном оригинальном состоянии.

53. В прошлом генератор находился на этом месте.

54. Механизм для передачи крутящего момента с маховика на генератор.

55. Сейчас на месте генератора установлен электродвигатель, при помощи которого несколько дней в году паровую машину приводят в движение на потеху публике. В музее каждый год проводятся «Дни пара» — мероприятие, объединяющее любителей и моделистов паровых машин. В эти дни паровая машина тоже приводится в движение.

56. Оригинальный генератор постоянного тока стоит теперь в сторонке. В прошлом он использовался для выработки электричества для освещения фабрики.

57. Произведен фирмой «Elektrotechnische & Maschinenfabrik Ernst Walther» в Вердау в 1899 году, если верить инфотабличке, но на оригинальном шильдике стоит год 1901.

58. Так как я был единственным посетителем музея в тот день, никто не мешал мне наслаждаться эстетикой этого места один-на-один c машиной. К тому же отсутствие людей способстовало получению хороших фотографий.

59. Теперь пару слов о трансмиссии. Как видно на этом снимке, поверхность маховика обладает 12 канавками для канатов, при помощи которых вращательное движение маховика передавалось дальше на элементы трансмиссии.

60. Трансмиссия, состоящая из колес различного диаметра, соединенных валами, распределяла вращательное движение на несколько этажей фабричного корпуса, на которых распологались прядильные станки, работающие от энергии, переданной при помощи трансмиссии от паровой машины.

61. Маховик с канавками для канатов крупным планом.

62. Тут хорошо видны элементы трансмиссии, при помощи которых крутящий момент передавался на вал, проходящий под землей и передающий вращательное движение в прилегающий к машинному залу корпус фабрики, в котором располагались станки.

63. К сожалению, фабричное здание не сохранилось и за дверью, что вела в соседний корпус, теперь лишь пустота.

64. Отдельно стоит отметить щит управления электрооборудованием, который сам по себе является произведением искусства.

65. Мраморная доска в красивой деревянной рамке с расположенной на ней рядами рычажков и предохранителей, роскошный фонарь, стильные приборы — Belle Époque во всей красе.

66. Два огромных предохранителя, расположенные между фонарем и приборами впечатляют.

67. Предохранители, рычажки, регуляторы — все оборудование эстетически привлекательно. Видно, что при создании этого щита о внешнем виде заботились далеко не в последнюю очередь.

68. Под каждым рычажком и предохранителем расположена «пуговка» с надписью, что этот рычажок включает/выключает.

69. Великолепие техники периода «прекрасной эпохи «.

70. В завершении рассказа вернемся к машине и насладимся восхитительной гармонией и эстетикой ее деталей.

71. Вентили управления отдельными узлами машины.

72. Капельные масленки, предназначенные для смазки движущихся узлов и агрегатов машины.

73. Этот прибор называется пресс-масленка. От движущейся части машины приводятся в движение червяки, перемещающие поршень масленки, а он нагнетает масло к трущимся поверхностям. После того, как поршень дойдет до мертвой точки, его вращением ручки поднимают назад и цикл повторяется.

74. До чего же красиво! Чистый восторг!

75. Цилиндры машины с колонками впускных клапанов.

76. Еще масленки.

77. Эстетика стимпанка в классическом виде.

78. Распределительный вал машины, регулирующий подачу пара в цилиндры.

79.

80.

81. Все это очень очень красиво! Я получил огромный заряд вдохновения и радостных эмоций во время посещения этого машинного зала.

82. Если вас вдруг судьба занесет в регион Цвикау, посетите обязательно этот музей, не пожалеете. Сайт музея и его координаты: 50°43″58″N 12°22″25″E

Принцип действия парового двигателя

Содeржание

Аннотация

1. Теоретическая часть

1. 1 Временная цепочка

1.2 Паровой двигатель

1.2.1 Паровой котёл

1.2.2 Паровые турбины

1.3 Паровые машины

1.3.1 Первые пароходы

1.3.2 Зарождение двухколесного транспорта

1.4 Применение паровых двигателей

1.4.1 Преимущество паровых машин

1.4.2 Коэффициент полезного действия

2. Практическая часть

2.1 Построение механизма

2.2 Способы улучшения машины и ее КПД

2.3 Анкетирование

Заключение

Список используемой литературы

Приложение

паровой двигатель полезное действие

Данная научная работа состоит из 32листов.Она включает в себя теоретическую часть, практическую часть, приложение и заключение. В теоретической части вы узнаете о принципе работы паровых двигателей и механизмов, об их истории и о роли их применения в жизни. Практической части подробно рассказано о процессе конструирования и испытаниях парового механизма в домашних условиях. Данная научная работа может служить наглядным примером работы и использованияэнергиипара.

Введение

Мир покорных любым капризам природы, где машины приводятся в действие мускульной силой или силой водяных колёс и ветряных мельниц — таким был мир техники до создания парового двигателя.Еще в древние времена человек обратил внимание на то, что струя водяного пара, вырываясь из сосуда, поставленного на огонь, способна сместить препятствие (например, лист бумаги), оказавшееся на ее пути.Это заставило человека задуматься над тем, как можно использовать в качестве рабочего тела пар. В результате этого после множества опытов появился паровой двигатель.И представьте себе заводы с дымящимися трубами, паровые машины и турбины, паровозы и пароходы — весь сложный и могучий мир паротехники созданный человекомПаровая машина была практически единственным универсальным двигателем и сыграла огромную роль в развитии человечества.Изобретение паровой машины послужило толчком для дальнейшего развития средств передвижения. В течение ста лет она была единственным промышленным двигателем, универсальность которого позволяла использовать ее на предприятиях, железных дорогах и на флоте. Изобретение парового двигателя является огромным рывком, стоявшим на рубеже двух эпох. И через столетия, ещё острее ощущается вся значимость этого изобретения.

Гипотеза:

Возможно, ли построить своими руками простейший механизм, работавший на пару.

Цель работы: сконструировать механизм способный двигаться на пару.

Задача исследования:

1. Изучить научную литературу.

2. Сконструировать и построить простейший механизм, работавший на пару.

3. Рассмотреть возможности увеличения КПД в дальнейшем.

Данная научная работа будет служить пособием на уроках физики для старших классов и для тех, кого интересует данная тема.

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

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

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

3000 лет до н. э. — в Древнем Риме появились первые дороги.

2000 лет до н. э. — колесо приобрело более привычный для нас вид. У него появились ступица, обод и соединяющие их спицы.

1700 г. до н. э. — появились первые дороги, мощенные деревянными брусками.

312 г. до н. э. — в Древнем Риме построены первые дороги с каменным покрытием. Толщина каменной кладки достигала одного метра.

1405 г. — появились первые рессорные конные экипажи.

1510 г. — конный экипаж приобрел кузов со стенами и крышей. Пассажиры получили возможность защититься от непогоды во время поездки.

1526 г. — немецкий ученый и художник Альбрехт Дюрер разработал интересный проект «безлошадной повозки», приводимой в действие мышечной силой людей. Люди, идущие сбоку экипажа, вращали специальные рукоятки. Это вращение с помощью червячного механизма передавалось колесам экипажа. К сожалению, повозка не была изготовлена.

1600 г. — Симон Стевин построил яхту на колесах, двигающуюся под действием силы ветра. Она стала первой конструкцией безлошадной повозки.

1610 г. — кареты претерпели два существенных усовершенствования. Во-первых, ненадежные и слишком мягкие ремни, укачивающие пассажиров во время поездки, были заменены стальными рессорами. Во-вторых, была усовершенствована конная упряжь. Теперь лошадь тянула карету не шеей, а грудью.

1649 г. — прошли первые испытания по использованию в качестве движущей силы пружины, предварительно закрученной человеком. Карету с приводом от пружины построил Йоханн Хауч в Нюрнберге. Однако историки эти сведения ставят под сомнение, поскольку существует версия, что вместо большой пружины внутри кареты сидел человек, который и приводил механизм в движение.

1680 г. — в крупных городах появились первые образцы конного общественного транспорта.

1690 г. — Стефан Фарффлер из Нюрнберга создал трехколесную повозку, передвигающуюся с помощью двух ручек, вращаемых руками. Благодаря этому приводу конструктор повозки мог перемещаться с места на место без помощи ног.

1698 г. — англичанин Томас Севери построил первый паровой котел.

1741 г. — русский механик-самоучка Леонтий Лукьянович Шамшуренков послал в Нижегородскую губернскую канцелярию «доношенье» с описанием «самобеглой коляски».

1769 г. — французский изобретатель Кюньо построил первый в мире паровой автомобиль.

1784 г. — Джеймс Уатт создал первую паровую машину.

1791 г. — Иван Кулибин сконструировал трехколесную самоходную коляску, вмещавшую двух пассажиров. Привод осуществлялся с помощью педального механизма.

1794 г. — паровую машину Кюньо сдали в «хранилище машин, инструментов, моделей, рисунков и описаний по всем видам искусств и ремесел» в качестве очередной механической диковинки.

1800 г. — существует мнение, что именно в этом году в России был построен первый в мире велосипед. Его автором был крепостной Ефим Артамонов.

1808 г. — на улицах Парижа появился первый французский велосипед. Он был изготовлен из дерева и состоял из перекладины, соединяющей два колеса. В отличие от современного велосипеда, у него не было руля и педалей.

1810 г. — в Америке и странах Европы начала зарождаться каретная промышленность. В крупных городах появились целые улицы и даже кварталы, заселенные мастерами-каретниками.

1816 г. — немецкий изобретатель Карл Фридрих Драйз построил машину, напоминающую современный велосипед. Едва появившись на улицах города, она получила название «беговой машины», так как ее хозяин, отталкиваясь ногами, фактически бежал по земле.

1834 г. — в Париже проводились испытания парусного экипажа, сконструированного М. Хакуетом. Этот экипаж имел мачту высотой 12 м.

1868 г. — считается, что в этот год французом Эрне Мишо был создан прообраз современного мотоцикла.

1871 г. — французский изобретатель Луи Перро разработал паровую машину для велосипеда.

1874г. — в России построен паровой колесный тягач. В качестве прототипа был использован английский автомобиль «Эвелин Портер».

1875г. — в Париже прошла демонстрация первой паровой машины Амадея Бдлли.

1884 г. — американец Луис Копленд построил мотоцикл, на котором паровой мотор был установлен над передним колесом. Такая конструкция могла разогнаться до 18 км/ч.

1901г. — в России построен легковой паромобиль московского велосипедного завода «Дукс».

1902г. — Леон Серполле на одном из своих паровых автомобилей установил мировой рекорд скорости — 120 км/ч.

Годом позже он установил еще один рекорд — 144 км/ч.

1905 г. — американец Ф. Мариотт на паровом автомобиле превысил скорость 200 км

1.2 Паровой двигатель

Двигатель, приводимый в действие силой пара. Пар, получаемый путем нагрева воды, используют для движения. В некоторых двигателях сила пара заставляет двигаться поршни, расположенные в цилиндрах. Таким образом создается возвратно-поступательное движение. Подсоединенный механизм обычно преобразует его во вращательное движение. В паровозах (локомотивах) используются Поршневые двигатели. В качестве двигателей используют также паровые турбины, которые дают непосредственно вращательное движение, вращая ряд колес с лопатками. Паровые турбины приводят в действие генераторы электростанций и винты кораблей. В любом паровом двигателе происходит превращение тепла, вырабатываемого при нагреве воды в паровом котле (бойлере) в энергию движения. Тепло может подаваться от сжигания топлива в печи или от атомного реактора. Самый первый в истории паровой двигателей представлял собой род насоса, при помощи которого откачивали воду, заливающую шахты. Его изобрел в 1689 г. Томас Сэйвери. В этой машине, совсем простой по конструкции, пар конденсировался, превращаясь в небольшое количество воды, и за счет этого создавался частичный вакуум, благодаря чему отсасывалась вода из шахтного ствола. В 1712 г. Томас Ньюкомен изобрел поршневой насос, приводимый в действие паром. В 1760-е гг. Джеймс Ватт улучшил конструкцию Ньюкомена и создал намного более эффективные паровые двигатели. Вскоре их стали использовать на фабриках для приведения в действие станков. В 1884 г. английский инженер Чарльз Пар-соне (1854-1931) изобрел первую применимую на практике паровую турбину. Его конструкции были настолько эффективны, что ими вскоре стали заменять паровые двигатели возвратно-поступательного действия на электростанциях. Наиболее удивительным достижением в области паровых двигателей было создание полностью замкнутого, работающего парового двигателя микроскопических размеров. Японские ученые создали его, используя методы, служащие для изготовления интегральных схем. Небольшой ток, проходящий по электронагревательному элементу, превращает каплю воды в пар, который движет поршень. Теперь ученым предстоит открыть, в каких областях это устройство может найти практическое применение.

ПАРОВОЙ РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ и ПАРОВОЙ АКСИАЛЬНО- ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

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

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

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

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

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

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

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

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

При этом автором сайта ведется разработка паровых аксиально поршневых двигателей с оппозитным — встречным движением поршней. Данная компоновка является наиболее энерго — производительной по мощности вариацией из всех возможных схем применения поршневой системы.
Данные двигатели в малых размерах получаются несколько дешевле и проще роторных моторов и уплотнения в них использхуються самые традиционные и самые простые.

Внизу размещено видео использования маленького аксиально-поршневого оппозитного двигателя с встречным движением поршней.

В настоящее время идет изготовление такого аксиально-поршневого оппозитного двигателя на 30 кВт. Ресурс двигателя ожидается в несколько сотен тысячах моточасов ибо обороты парового двигателя в 3-4 раза ниже оборотов двигателя внутреннего сгорания, в пара трения «поршень- цилиндр» — подвергнута ионно -плазменному азотированию в вакуумной среде и твердость поверхностей трения составляет 62-64 ед по HRC. Подробно о процессе упрочения поверхности методом азотирования смотри .

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

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

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

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

На схеме показан момент, когда каналы 1 и 9 открыты, каналы 3 и 11 закрыты. Поэтому свежий пар из котла по каналу 1 поступает в левую полость цилиндра и своим давлением перемещает поршень вправо; в это время отработавший пар по каналу 9 из правой полости цилиндра удаляется. При крайнем правом положении поршня каналы 1 и 9 закрыты, а 3 для впуска свежего пара и 11 для выпуска отработавшего пара открыты, вследствие чего поршень переместится влево. При крайнем левом положении поршня открываются каналы 1 и 9 и закрываются каналы 3 и 11 и процесс повторяется. Таким образом, создается прямолинейное возвратно-поступательное движе­ние поршня.

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

Величина вращающего момента на коренном валу не является постоянной. В самом деле, силу Р , направленную вдоль штока (фиг. 2), можно разложить на две составляющие: К , направленную вдоль шатуна, и N , перпендикулярную к плоскости направляющих параллелей. Сила N не оказывает никакого влияния на движение, а только прижимает ползун к направляющим параллелям. Сила К передается вдоль шатуна и действует на кривошип. Здесь ее опять можно разложить на две составляющие: силу Z , направленную по радиусу кривошипа и прижимающую вал к подшипникам, и силу Т , перпендикулярную к кривошипу и вызывающую вращение вала. Величина силы Т определится из рассмотрения треугольника AKZ. Так как угол ZAK = ? + ?, то

Т = К sin (? + ?).

Но из треугольника ОКР сила

K= P/ cos ?

поэтому

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

При работе машины за один оборот вала углы ? и ? и сила Р непрерывно меняются, а поэтому величина крутящей (тангенциаль­ной) силы Т также переменна. Чтобы создать равномерное вращение коренного вала в течение одного оборота, на него насаживают тяжелое колесо-маховик, за счет инерции которого поддерживается постоян­ная угловая скорость вращения вала. В те моменты, когда сила Т возрастает, она не может сразу же увеличить скорость вращения вала, пока не ускорится движение маховика, чего не происходит мгновенно, так как маховик обладает большой массой. В те моменты, когда работа, производимая крутящей силой Т , становится меньше работы сил сопротивления, создаваемых потребителем, маховик опять-таки в силу своей инерции не может сразу уменьшить свою ско­рость и, отдавая полученную при своем разгоне энергию, помогает поршню преодолевать нагрузку.

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

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

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

Рабочим объемом цилиндра V h называется объем, описываемый поршнем.

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

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

Паровая машина — Двигатели будущего

Парова́я маши́на — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.    Паровая машина Горизонтальная стационарная двухцилиндровая паровая машина для привода заводских трансмиссий. Конец XIX в. Экспонат Музея Индустриальной Культуры. Нюрнберг Значение паровых машин Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Поздние паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами и электромоторами, КПД которых выше. Паровые турбины, формально являющиеся разновидностью паровых машин, до сих пор широко используются в качестве приводов генераторов электроэнергии. Примерно 86% электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с использованием паровых турбин.  Принцип действия Для привода паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям. Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива — от кизяка до урана.  Изобретение и развитие    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, арабским философом, астрономом и инженером XVI века Таги-аль-Диноме. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 г. итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии. Однако дальнейшее развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики двигателей могли бы воспользоваться их результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения. Только в конце 17-го столетия паровые двигатели были созданы как единичные курьёзы. Первая машина была создана испанским изобретателем Йеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т. Севери (см. ниже). Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 г. англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 г. он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в 19-ом столетии). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной. Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-ых в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 г. создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала, как демонстрационная модель, но для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла, проложив таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. Однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил. Папен также проектировал лодку, приводимую в движение колесом с реактивной силой в комбинации концепций Таги-аль-Дина и 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 1698 году получил патент. Это был поршневой паровой насос, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы двигателя иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его «другом рудокопа». Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором Ньюкомен 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 двигатель Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение, с которым принято связывать начало промышленной революции в Англии. Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах. Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления (американец Оливер Эванс и англичанин Ричард Тревитик). Р.Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм, или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования. Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7—8 миль в час. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком. Паровые машины с возвратно-поступательным движением Двигатели с возвратно-поступательным движением используют энергию пара для перемещения поршня в герметичной камере или цилиндре. Возвратно-поступательное действие поршня может быть механически преобразовано в линейное движение поршневых насосов или во вращательное движение для привода вращающихся частей станков или колёс транспортных средств.  Вакуумные машины    Гравюра двигателя Ньюкомена. Это изображение скопировано с рисунка в работе Дезаглирса «курс экспериментальной философии», 1744, которая является изменённой копией гравюры Генри Битона, датированной 1717 годом. Вероятно, изображён второй двигатель [хой]Ньюкомена, установленный приблизительно в 1714 в угольной шахте Гриф в Уоркшире. 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. 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 помп (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. версия паровой машины, созданная Уаттом 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 ограничение их эффективности, были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII века. Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора. Максимальный теоретический КПД был ограничен относительно малой разницей температур по обе стороны поршня; это делало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими. Приблизительно в 1811 году Ричарду Тревитнику потребовалось усовершенствовать машину Уатта, для того чтобы приспособить её к новым котлам Корниша. Давление пара над поршнем достигло 275 кПа (2,8 атмосферы), и именно оно давало основную мощность для совершения рабочего хода; кроме того, был существенно усовершенствован конденсатор. Такие машины получили название машин Корниша, и строились вплоть до 1890-х годов. Множество старых машин Уатта было реконструировано до этого уровня. Некоторые машины Корниша имели весьма большой размер.  Паровые машины высокого давления В паровых машинах пар поступает из котла в рабочую камеру цилиндра, где расширяется, оказывая давление на поршень и совершая полезную работу. После этого расширенный пар может выпускаться в атмосферу или поступать в конденсатор. Важное отличие машин высокого давления от вакуумных состоит в том, что давление отработанного пара превышает атмосферное или равно ему, то есть вакуум не создаётся. Отработанный пар обычно имел давление выше атмосферного и часто выбрасывался в дымовую трубу, что позволяло увеличить тягу котла. Важность увеличения давления пара состоит в том, что при этом он приобретает более высокую температуру. Таким образом, паровая машина высокого давления работает при большей разнице температур чем та, которую можно достичь в вакуумных машинах. После того, как машины высокого давления заменили вакуумные, они стали основой для дальнейшего развития и совершенствования всех возвратно-поступательных паровых машин. Однако то давление, которое считалось в 1800 году высоким (275—345 кПа), сейчас рассматривается как очень низкое — давление в современных паровых котлах в десятки раз выше. Дополнительное преимущество машин высокого давления состоит в том, что они намного меньше при заданном уровне мощности, и соответственно, существенно менее дорогие. Кроме того, такая паровая машина может быть достаточно лёгкой и компактной, чтобы использоваться на транспортных средствах. Возникший в результате паровой транспорт (паровозы, пароходы) революционизировал коммерческие и пассажирские перевозки, военную стратегию, и вообще затронул практически каждый аспект общественной жизни. Схема горизонтальной одноцилиндровой паровой машины высокого давления, двойного действия. Отбор мощности осуществляется приводным ремнем: 1 — Поршень 2 — Шток поршня 3 — Ползун 4 — Шатун 5 — Коленчатый вал 6 — Эксцентрик для привода клапана 7 — Маховик 8 — Золотник 9 — Центробежный регулятор.  Паровые машины двойного действия Следующим важным шагом в развитии паровых машин высокого давления стало появление машин двойного действия. В машинах 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 поочередно подается в обе стороны рабочего цилиндра, в то время как отработанный пар с другой стороны цилиндра выходит в атмосферу или в конденсатор. Это потребовало создания достаточно сложного механизма парораспределения. Принцип двойного действия повышает скорость работы машины и улучшает плавность хода. Поршень такой паровой машины соединён со скользящим штоком, выходящим из цилиндра. К этому штоку крепится качающийся шатун, приводящий в движение кривошип маховика. Система парораспределения приводится в действие другим кривошипным механизмом. Механизм парораспределения может иметь функцию реверса для того, чтобы можно было менять направление вращения маховика машины. Паровая машина двойного действия примерно вдвое мощнее обычной паровой машины, и кроме того, может работать с намного более легким маховиком. Это уменьшает вес и стоимость машин. Большинство возвратно-поступательных паровых машин использует именно этот принцип работы, что хорошо видно на примере паровозов. Когда такая машина имеет два или более цилиндров, кривошипы устанавливаются со сдвигом в 90 градусов для того, чтобы гарантировать возможность запуска машины при любом положении поршней в цилиндрах. Некоторые колёсные пароходы имели одноцилиндровую паровую машину двойного действия, и на них приходилось следить, чтобы колесо не останавливалось в мёртвой точке, то есть в таком положении, при котором запуск машины невозможен.

Принцип работы парового котла на примере оборудования BOOSTER CO.,LTD

Паровой котёл — это конструктивно объединенный в одно целое комплекс устройств для получения пара под давлением за счет тепловой энергии от сжигания топлива, при протекании технологического процесса или преобразования электрической энергии в тепловую.

Примечание. В котел могут входить полностью или частично: топка, пароперегреватель, экономайзер, воздухоподогреватель, каркас, обмуровка, тепловая изоляция, обшивка. (ГОСТ 23172-78. Котлы стационарные. Термины и определения).

В топливных котлах источником тепла является тепло от сгорания топлива (уголь, газ, дизельное топливо и т. д.). В зависимости от типа котла и вида используемого топлива оборудование может иметь различную конструкцию, но не смотря на это, окончательный результат технологического процесса в любом паровом котле — пар под давлением.

В этой статье подробно рассмотрим конструкцию и принцип работы паровых котлов BOOSTER.

Конструкция парового котла BOOSTER

Водотрубные паровые котлы BOOSTER предназначены для генерации насыщенного пара, источником тепла является сгорание газового или жидкого топлива. За счёт использования экономайзера КПД котлов может достигать 99%.

Основными преимуществами котлов BOOSTER являются
компактность быстродействие  высокий КПД

Существуют свыше 100 моделей паровых котлов BOOSTER, отличающихся по паропроизводительности, КПД и потребляемому топливу, но принцип действия у всех моделей одинаков за исключением незначительных особенностей.

Устройство и принцип действия рассмотрим на примере парового котла BOOSTER серии BSS с экономайзером

Трубный пучок котлоагрегата состоит из верхнего и нижнего коллекторов, соединённых двумя рядами вертикальных труб, расположенных по концентрическим окружностям в шахматном порядке. Внутренний ряд экранных труб образует цилиндрическую топочную камеру. Поверхность внутреннего ряда экранных труб, образующая топку, является радиационной частью, остальные поверхности являются конвективной частью.
Водотрубная сторона условно разделена на две части:

• водяное пространство — занимает ~2/3 части трубного пучка;
• паровое пространство — в верхней части трубного пучка.

Нужный уровень котловой воды поддерживается водомерной колонкой, в которой находятся электроды уровней, включающие и отключающие питательный насос.

Экономайзер котлоагрегата представляет собой кожухотрубный змеевиковый теплообменник, дымовые газы и питательная вода в теплообменнике движутся противотоком.

Сепаратор пара представляет собой цилиндрический сосуд со спиралевидным паровым каналом и опускной трубой, соединённой с нижним коллектором трубного пучка котлоагрегата.

Горелочное устройство, установленное в верхней части топки, состоит из воздушного регистра и горелки с топливной рампой.

Принцип работы парового котла BOOSTER

Подготовленная питательная вода, нагнетаемая насосом, поступает в змеевик экономайзера, где происходит её предварительный нагрев за счёт охлаждения горячих дымовых газов, подаваемых с газохода котла в газоход экономайзера. Предварительно подогретая питательная вода с экономайзера подаётся в нижний коллектор трубного пучка парового котла, где смешивается с котловой водой и поступает в зону нагрева по двум рядам труб – экранным, которые нагреваются за счёт излучения факела горелки и конвективным, где, нагрев происходит за счёт горячих дымовых газов. Вода в водяном пространстве трубного пучка нагревается до температуры парообразования и испаряясь переходит в верхнюю часть трубного пучка — паровое пространство. В паровом пространстве за счёт разницы давлений, возникающей при расходе у паропотребителя, пар поступает в сепаратор, где происходит отделение от свободной влаги (конденсат) и через главный паровой вентиль уходит к потребителю пара. Отсепарированный из пара конденсат стекает в нижнюю часть сепаратора, где, охлаждаясь, спускается по опускной трубе и попадают в нижний коллектор трубного пучка, смешиваясь с котловой водой.

Паровой «болид» идет на рекорд

12 Января 2005 18:0112 Янв 2005 18:01 | Поделиться Развеять миф о том, что агрегаты на паровых двигателях - тихоходные и отчаянно дымящие монстры, время которых давно прошло, призвана, как сообщает ВВС, гоночная машина Inspiration, созданная британскими инженерами. Уже не один десяток лет о новинках из мира паровых машин не говорится в выпусках новостей. Тем более не слышно о том, что чтобы машина с «архаичным» движителем пыталась побить мировой рекорд скорости, а не долголетия.

Нарушить «заговор умолчания» вокруг паровых машин решился британский инженер-конструктор Глинн Баушер (Glynne Bowsher) со своей командой. Они почти завершили работу над созданием сверхбыстрого парового транспортного средства, внешне напоминающего «Бэтмобиль». Эта машина под названием Inspiration (Вдохновение) призвана открыть перед старой доброй паровой машиной новые перспективы.

Глинн Баушер — не новичок в гоночном мире и не понаслышке знаком с требованиями, предъявляемыми к таким машинам и к их двигательным установкам. Именно он, в частности, создал первый автомобиль, преодолевший звуковой барьер на земле. Его команда, носящая название British Steam Car Challenge (BSCC), надеется побить не только давний рекорд скорости для экипажей на паровой тяге, но и вдохновить других ученых на работы в области альтернативных источников энергии. В качестве возможных кандидатов рассматриваются водород, природный газ и даже смесь водорода с метаном. Особенно популярен среди конструкторов в наши дни водород. Тем не менее, широкому его применению мешает отсутствие эффективных способов производства и, что еще важнее, хранения водородного топлива.

Глинн Баушер уверен, что пока такого решения не найдено, стоит обратить внимание на старую добрую паровую машину. Двигатели внешнего сгорания — такие, как паровой — имеют ряд достоинств в сравнении со знакомыми нам двигателями внутреннего сгорания. В частности, они «чище» и вырабатывают меньше вредных окисей азота, чем стандартные современные двигатели, поскольку максимальные температуры и давление в них ниже.

Даже несмотря на то, что паровые двигатели, как и другие, сжигают обычное углероводородное горючее, принцип их работы и устройство позволяют эффективнее контролировать выделение и выбросы двуокиси углерода.

Последний рекорд скорости для автомобиля на паровом двигателе, появившегося в далеком 1769 году, был установлен почти столетие назад — в 1906 году. Тогда автомобиль Stanley Steamer под управлением Фреда Мэрриотта развил скорость в 205,5 км/ч, оставив позади четыре других машины на двигателях внутреннего сгорания. Тем не менее, создание парового двигателя, способного побиться за рекорд скорости в XXI веке, оказалось не такой уж простой задачей.

«В общем, нам пришлось придумать свою собственную конструкцию двигателя, в некоторой степени инновационную», — говорит Глинн Баушер. Конструкция двигателя оказалась настолько оригинальной, что авторы планируют запатентовать ее. Правда, принцип работы парового двигателя прост. Вода проходит через парогенератор, где превращается в пар, который при температуре в 400 градусов и при давлении примерно в 40 атмосфер (4 млн. Паскалей) поступает в двухступенчатую турбину.

Почему администраторы не заметят миграцию данных в облака

Облака

«Поднимающийся пар заставляет вращаться секции турбины, почти как небольшая электростанция, — объясняет Баушер. - Круговое движение турбины через систему передач поступает на колеса, а когда крутятся колеса, мы едем — и очень быстро.»

Несмотря на кажущуюся простоту, с технологической точки зрения оказалось очень сложно выработать 300 лошадиных сил мощности в таком небольшом пространстве. Тем не менее, британские конструкторы справились с задачей. Получился двигатель, способный достигать 225 кВт при 12000 оборотах в минуту. Двигатели Формулы-1 обычно работают в районе 17000 оборотов, а авиационные турбины — от 85000 и выше.

Баушер, однако, не считает, что паровые автомобили смогут заменить нынешние машины на городских улицах. «Паровые турбины применялись и в прошлом, — говорит он. — Но проблема заключается в том, что для эффективной работы им необходимо функционировать на определенной скорости. Однако сама природа городских автомобилей предполагает, что их скорость постоянно меняется, так что наша разработка в этой области окажется бесполезной». Однако, по его словам, эта технология вполне могла бы заменить дизельные двигатели на тяжелых грузовых автомобилях и на автобусах. Дело только за адаптацией нового двигателя. Создатели паровой машины для XXI века уже изучают такую возможность.

DIY: Паровой двигатель

Чтобы понять, как работает паровой двигатель, достаточно посмотреть на кастрюлю с закипающей водой: вырывающийся наружу пар подбрасывает крышку. Это «умение» преобразовывать тепловую энергию в механическую как раз и используется в паровом двигателе. Несмотря на простоту принципа, создать его было достаточно сложно. Во-первых, трудно было регулировать давление пара, во-вторых, подогрев воды требовал большого расхода топлива.

Считается, что паровой двигатель изобрёл шотландский инженер Джеймс Уатт (1736–1819). Но это не совсем так. Первые, примитивные паровые двигатели появились ещё в I веке. Герон Александрийский описал шарообразное устройство с соплами, из которых по касательной выходит водяной пар и вращает двигатель.

Однако прототипы настоящих паровых машин появились значительно позже. В XVI веке арабский инженер Таги-аль-Диноме изобрёл паровую турбину, которая представляла собой вертел с лопастями, вращающимися под действием водяного пара. В 1629 году похожее решение предложил итальянец Джованни Бранка. Главный недостаток этих устройств заключался в больших потерях энергии: подаваемый на сопла поток пара был рассеивающимся.

Инженерная мысль того времени крутилась вокруг необходимости выкачивать воду из шахт, в основном угольных. В конце XVII века англичанин Томас Севери изобрёл машину «для подъёма воды с помощью двигательной силы огня». Герметичный резервуар заполнялся горячим паром. После его охлаждали водой — пар конденсировался, и создавался вакуум. Затем через трубу вода из шахты засасывалась в резервуар, и новая порция горячего пара выталкивала её на поверхность. Такой механизм не мог поднимать воду с глубины более 15 метров и потреблял очень много топлива.

В 1698 году французский физик Дени Папен усовершенствовал машину Севери, оборудовав резервуар двигающимся поршнем. Принцип действия был такой же, но вода нагревалась внутри резервуара. Аппарат Папена не нашёл широкого применения.

По-настоящему успешной моделью была паровая машина английского инженера Томаса Ньюкомена, который учёл недостатки предыдущих устройств и соединил вертикальный цилиндрический поршневой резервуар с отдельным паровым котлом. Герметичность цилиндра обеспечивала кожаная прокладка вокруг поршня. Несмотря на низкую эффективность (КПД составлял не более 1%), аппарат широко применялся в шахтах почти полстолетия, пока Джеймс Уатт не изобрёл компактную, но мощную паровую машину.

Уатт считал, что для повышения эффективности резервуар нужно постоянно держать нагретым, а пар конденсировать в отдельном отсеке. Рабочий цилиндр был уже не пароатмосферным, как в предыдущих машинах. Поршень поднимался и опускался за счёт подачи горячего пара с помощью поочерёдно открывающихся и закрывающихся трубок между цилиндром и отсеком для конденсации воды. Благодаря дополнительному уплотнению поршня Уатт снизил потери пара. В 1769 году он получил патент на изобретение, которое дало мощный толчок развитию не только паровых двигателей, но и сопутствующих промышленных станков.

Как мы можем использовать пар

Сегодня мы задаемся вопросом, как использовать пар. Инженерный колледж Хьюстонского университета представляет эту серию о машинах которые заставляют нашу цивилизацию работать, а людей чья изобретательность создала их.

В семнадцатом веке мы, наконец, пришли к тому, что газы и пары могут оказывать огромное воздействие.Люди начали проверять идею о том, что воздушный пар может на самом деле привести в действие двигатель. Стали появляться рудиментарные паровые машины.

Еще в 1606 (или 1601?) итальянском экспериментаторе было показано, как пар, нагнетаемый в закрытую ящик с водой, мог гнать воду вверх по трубе. Он сделал эмбриональный паровой насос за столетие до того, как Томас Ньюкомен построил первый полностью рабочий двигатель в Англии, и 160 за несколько лет до того, как Джеймс Уатт начал совершенствовать паровой двигатель.

Так что подумайте на мгновение, как изобретатель семнадцатого века. Вы понимаете, что у пара есть огромный потенциал, и вам нужна машина, которая может его использовать. Какие у вас есть варианты?

К настоящему времени мы остановились на двух совершенно разных средствах. Мы можем расширить пар через сопло и пусть получившаяся струя работает на нас. Или мы можем позволить пару воздействовать на поршень.

Эллинистические инженеры первого века использовали направленные назад паровые струи для приведения в движение игрушек — птиц. летающие на концах струн, вихревые устройства, транспортные средства.Другой Итальянский изобретатель в 1629 году описал полную систему паровой турбины для приведения в действие пестов. Его струя действовала на турбинное колесо, а не просто дула назад. И, несмотря на все это, практические паровые турбины появились чуть более ста лет назад.

Идея поршень/цилиндр в принципе сложнее. Но сделать было проще. Учитывать возможности: Вы можете запечатать немного воды в цилиндре, затем попеременно нагревать и охлаждать ее. Вскипятить и сконденсировать — двигая поршень сначала в одну сторону, потом в другую.

Или можно подавать пар от внешнего котла. Сначала пар толкает поршень в одном направлении. Затем мы конденсируем пар, а наружный воздух выталкивает его в другую сторону. Или мы можем исчерпать потраченное пара и дайте ему сконденсироваться вне цилиндра. Там много возможностей, и все они были опробованы.

Денис Папен, французский гугенот, работавший в Германии, построил первую поршневую машину в 1690 году. и конденсировал одну и ту же воду снова и снова.Это было медленно, и у него еще не было механического на создание коммерческой модели. Семнадцать лет спустя Папен описал другой двигатель. На этот раз он подавал пар из внешнего котла и откачивал отработанный пар. После другого пять лет Томас Ньюкомен строил свой работающий двигатель. Он использовал внешний котел, который он конденсировал его пар внутри цилиндра, и он дал нам начало коммерческим паровым машинам.

Но так много умных людей создали его.К тому времени рабочие двигатели могли занять так много вес с наших спин, все варианты были подброшены в воздух, как пшеница и мякина. И один, как раз для того времени, приземлился там, где мог бы изменить жизнь на планете Земля. Так много людей; так хорошо Работа! От всего этого мне хочется плакать, когда меня спрашивают: «Кто на самом деле изобрел первый паровой двигатель?»

Я Джон Линхард из Хьюстонского университета. где нас интересует, как изобретательные умы Работа.

(Музыкальная тема)

---

HW Dickinson, Краткая история парового двигателя. Кембридж: в University Press, 1939.

LTC Rolt, Томас Ньюкомен: Предыстория парового двигателя. (Плимут: Latimer Trend & Co. 1939.

Д. Папен, Fasciculus dissertationum de novis quibusdam machinis atque aliis arguments philosophicis quorum seriem versa pagina exhibet. Марбург: Дж.Дж. Крснерии, 1695.

Д. Ларнер, преподобный, Знакомое объяснение и иллюстрации парового двигателя.. ., Филадельфия: Э. Л. Кэри и А. Харт, 1836.

Простая водяная помпа была описана Делла Порта где-то между 1601 и 1606 годами. См. изображение в история этого онлайнового паровоза

Полный отчет о турбинном устройстве 1629 см. Онлайн книга Джовани Бранка.

Изобретение паровой машины.Современный вариант паровой машины Устройство паровой машины и ее работа

Возможности использования энергии пара были известны еще в начале нашей эры. Это подтверждает прибор под названием эолипил Герона, созданный древнегреческим механиком Героном Александрийским. К древним изобретениям можно отнести паровую турбину, шар которой вращался за счет мощности струй водяного пара.

Приспособить пар для работы двигателей стало возможным в 17 веке.Пользовались таким изобретением недолго, но оно внесло весомый вклад в развитие человечества. К тому же история изобретения паровых машин очень увлекательна.

Концепция

Паровая машина состоит из тепловой машины внешнего сгорания, которая за счет энергии водяного пара создает механическое движение поршня, а тот, в свою очередь, вращает вал. Мощность паровой машины обычно измеряют в ваттах.

История изобретения

История изобретения паровых машин связана со знаниями древнегреческой цивилизации.Произведениями этой эпохи долгое время никто не пользовался. В 16 веке была предпринята попытка создать паровую турбину. Над этим в Египте работал турецкий физик и инженер Такиюддин аш-Шами.

Интерес к этой проблеме вновь возник в XVII веке. В 1629 году Джованни Бранка предложил свой вариант паровой турбины. Однако изобретения теряли много энергии. Дальнейшее развитие событий требовало соответствующих экономических условий, которые появятся позже.

Денис Папен первым изобрел паровой двигатель.Изобретение представляло собой цилиндр с поршнем, поднимающимся за счет пара и опускающимся в результате его утолщения. Такой же принцип действия имели приборы Савери и Ньюкомена (1705 г.). Оборудование использовалось для откачки воды из выработок при добыче полезных ископаемых.

Ватт сумел окончательно усовершенствовать устройство в 1769 году.

Изобретения Дени Папена

Денис Папен был врачом по образованию. Он родился во Франции, в 1675 году переехал в Англию. Он известен многими своими изобретениями.Одна из них – скороварка, которую назвали «котлом Папенова».

Ему удалось выявить связь между двумя явлениями, а именно температурой кипения жидкости (воды) и возникающим давлением. Благодаря этому он создал герметичный котел, внутри которого было повышено давление, из-за чего вода закипала позже обычного и повышалась температура обработки помещаемых в него продуктов. Таким образом, скорость приготовления увеличилась.

В 1674 году изобретатель-медик создал пороховой двигатель.Его работа заключалась в том, что при воспламенении пороха в цилиндре перемещался поршень. В цилиндре образовался небольшой вакуум, и атмосферное давление вернуло поршень на место. Образовавшиеся газообразные элементы выходили через вентиль, а оставшиеся охлаждались.

К 1698 году Папену удалось создать на том же принципе агрегат, работающий не на порохе, а на воде. Так была создана первая паровая машина. Несмотря на значительный прогресс, к которому могла привести идея, она не принесла значительной пользы своему изобретателю.Это было связано с тем, что ранее другой механик, Саверий, уже запатентовал паровой насос, а другого применения таким агрегатам к тому времени еще не придумали.

Дени Папен умер в Лондоне в 1714 году. Несмотря на то, что первую паровую машину изобрел именно он, он покинул этот мир в нужде и одиночестве.

Изобретения Томаса Ньюкомена

Более успешным в плане дивидендов был англичанин Ньюкомен. Когда Папен создал свою машину, Томасу было 35 лет.Он внимательно изучил работы Савери и Папена и смог понять недостатки обеих конструкций. От них он взял все лучшие идеи.

Уже к 1712 году в сотрудничестве с мастером по стеклу и сантехнике Джоном Калли он создал свою первую модель. Так продолжилась история изобретения паровых машин.

Кратко пояснить созданную модель можно так:

• В конструкции сочетались вертикальный цилиндр и поршень, как у Папена.
• Создание пара происходило в отдельном котле, который работал по принципу машины Савери.
• Герметичность в паровом цилиндре достигалась за счет обшивки, которой обтягивался поршень.

Установка Ньюкомена поднимала воду из шахт с помощью атмосферного давления. Машина отличалась солидными габаритами и требовала для работы большого количества угля. Несмотря на эти недостатки, модель Ньюкомена использовалась в шахтах полвека.Это даже позволило вновь открыть шахты, которые были заброшены из-за затопления грунтовыми водами.

В 1722 году детище Ньюкомена доказало свою эффективность, всего за две недели откачав воду из корабля в Кронштадте. Система ветряных мельниц могла бы сделать это за год.

Из-за того, что машина базировалась на ранних версиях, английский механик не смог получить на нее патент. Конструкторы пытались применить изобретение для передвижения транспортных средств, но безуспешно. На этом история изобретения паровых машин не остановилась.

Изобретение Ватта

Первое изобретённое оборудование компактных размеров, но достаточно мощное, Джеймс Ватт. Паровая машина была первой в своем роде. Механик из Университета Глазго в 1763 году начал ремонт паровой машины Ньюкомена. В результате ремонта понял как снизить расход топлива. Для этого необходимо было держать цилиндр в постоянно нагретом состоянии. Однако паровая машина Уатта не могла быть готова, пока не была решена проблема конденсации пара.

Решение пришло, когда механик проходил мимо прачечных и заметил клубы пара, выходящие из-под крышек котлов. Он понял, что пар — это газ, и его нужно перемещать в цилиндре с пониженным давлением.

Запечатав внутреннюю часть парового цилиндра пропитанной маслом пеньковой веревкой, Уатт смог отказаться от атмосферного давления. Это был большой шаг вперед.

В 1769 году механик получил патент, в котором говорилось, что температура двигателя в паровой машине всегда будет равна температуре пара. Однако дела незадачливого изобретателя пошли не так, как ожидалось. Он был вынужден заложить патент за долги.

В 1772 году он встретил Мэтью Болтона, богатого промышленника. Он купил и вернул Уатту его патенты. Изобретатель вернулся к работе при поддержке Болтона. В 1773 году паровая машина Уатта была испытана и показала, что она потребляет угля гораздо меньше, чем ее аналоги. Через год производство его автомобилей началось в Англии.

В 1781 году изобретателю удалось запатентовать свое очередное творение – паровую машину для привода промышленных машин.Со временем все эти технологии позволят двигать поезда и пароходы с помощью пара. Это полностью изменит жизнь человека.

Одним из людей, изменивших жизнь многих людей, был Джеймс Уатт, чей паровой двигатель ускорил технический прогресс.

Изобретение Ползунова

В 1763 году была создана первая паровая машина, которая могла приводить в действие различные рабочие механизмы. Ее разработал русский механик И. Ползунов, работавший на горнозаводах Алтая.

Начальник заводов ознакомился с проектом и получил добро на создание аппарата из Санкт-Петербурга. Паровоз Ползунова получил признание, а работу над его созданием поручили автору проекта. Последний хотел сначала собрать миниатюрную модель, чтобы выявить и устранить возможные недостатки, не видимые на бумаге. Однако ему было приказано начать строить большую и мощную машину.

Ползунову были предоставлены помощники, из которых двое были склонны к механике, а двое должны были выполнять подсобные работы.На создание паровой машины ушло один год и девять месяцев. Когда паровая машина Ползунова была почти готова, он заболел чахоткой. Создатель умер за несколько дней до первых испытаний.

Все действия в машине происходили автоматически, она могла работать непрерывно. Это было доказано в 1766 г., когда ученики Ползунова провели последние испытания. Через месяц оборудование было введено в эксплуатацию.

Машина не только окупила потраченные деньги, но и принесла прибыль своим владельцам. К осени котел начал протекать, и работа остановилась. Агрегат можно было отремонтировать, но заводское начальство это не интересовало. Машину бросили, а спустя десятилетие разобрали за ненадобностью.

Принцип действия

Для работы всей системы требуется паровой котел. Образовавшийся пар расширяется и давит на поршень, приводя в движение механические детали.

Принцип действия лучше всего изучить на иллюстрации ниже.

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

КПД

КПД паровой машины определяется отношением полезной механической работы к количеству затраченного тепла, которое содержится в топливе. Энергия, которая выделяется в окружающую среду в виде тепла, не учитывается.

КПД паровой машины измеряется в процентах.Практический КПД составит 1-8%. При наличии конденсатора и расширении проточного тракта показатель может увеличиться до 25%.

Преимущества

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

История изобретения паровых двигателей показала преимущества, заметные и сегодня, поскольку для парового аналога можно использовать ядерную энергию.Сам по себе ядерный реактор не может преобразовать свою энергию в механическую работу, но он способен генерировать большое количество тепла. Затем он используется для производства пара, который приводит автомобиль в движение. Аналогичным образом можно использовать солнечную энергию.

Паровозы хорошо работают на большой высоте. Эффективность их работы не страдает от низкого атмосферного давления в горах. Паровозы до сих пор используются в горах Латинской Америки.

В Австрии и Швейцарии используются новые версии паровозов, работающих на сухом паре.Они показывают высокую эффективность благодаря множеству усовершенствований. Они не требовательны в обслуживании и в качестве топлива потребляют легкие фракции нефти. По экономическим показателям они сопоставимы с современными электровозами. При этом паровозы значительно легче своих дизельных и электрических собратьев. Это большое преимущество в гористой местности.

Недостатки

К недостаткам можно отнести, прежде всего, низкий КПД. К этому следует добавить громоздкость конструкции и низкоскоростность.Особенно это стало заметно после появления двигателя внутреннего сгорания.

Заявка

Кто изобрел паровую машину уже известно. Остается выяснить, где они использовались. До середины ХХ века в промышленности использовались паровые машины. Они также использовались для железнодорожного и парового транспорта.

Заводы с паровыми двигателями:

• сахар;
• спичка;
• бумажные фабрики;
• текстиль;
• пищевые предприятия (в отдельных случаях).

Паровые турбины также относятся к этому оборудованию. С их помощью до сих пор работают генераторы электроэнергии. Около 80% электроэнергии в мире вырабатывается с помощью паровых турбин.

В свое время были созданы различные виды паровых транспортных средств. Одни не прижились из-за нерешенных проблем, другие продолжают работать и сегодня.

Паровой транспорт:

• автомобиль;
• трактор;
Экскаватор
• ;
• самолет;
• тепловоз;
• сосуд;
• трактор.

Такова история изобретения паровых машин. Кратко рассмотрим наглядный пример гоночного автомобиля Serpolle, созданного в 1902 году. На нем был установлен мировой рекорд скорости, который составил 120 км в час на суше. Именно поэтому паровые автомобили были конкурентоспособны по отношению к электрическим и бензиновым аналогам.

Так, в США в 1900 году было произведено больше всего паровых машин. Они встречались на дорогах вплоть до тридцатых годов ХХ века.

Большинство этих транспортных средств стали непопулярными после появления двигателя внутреннего сгорания, эффективность которого намного выше.Такие машины были более экономичными, при этом легкими и быстрыми.

Стимпанк как тренд эпохи паровых машин

Говоря о паровых машинах, хотелось бы отметить популярное направление — стимпанк. Термин состоит из двух английских слов — «par» и «protest». Стимпанк — жанр научной фантастики, действие которого происходит во второй половине 19 века в викторианской Англии. Этот период в истории часто называют Эпохой пара.

Все произведения имеют одну отличительную черту- рассказывают о жизни второй половины 19 века, стиль повествования при этом напоминает роман Г.Г. Уэллс «Машина времени». Сюжеты описывают городские пейзажи, общественные здания, технику. Особое место отведено дирижаблям, старинным автомобилям, причудливым изобретениям. Все металлические детали скреплялись заклепками, так как сварка еще не применялась.

Термин «стимпанк» возник в 1987 году. Его популярность связана с появлением романа «Разностная машина». Он был написан в 1990 году Уильямом Гибсоном и Брюсом Стерлингом.

В начале 21 века в этом направлении вышло несколько известных фильмов:

• «Машина времени»;
• «Лига выдающихся джентльменов»;
• «Ван Хельсинг».

Предтечами стимпанка являются произведения Жюля Верна и Григория Адамова. Интерес к этому направлению время от времени проявляется во всех сферах жизни – от кинематографа до повседневной одежды.

Я пропущу осмотр музейной экспозиции и пойду сразу в машинное отделение. Желающие могут найти полную версию поста в моем ЖЖ. Машинный зал находится в этом здании:

29. Зайдя внутрь, я запыхался от восторга — внутри зала стояла самая красивая паровая машина, которую я когда-либо видел.Это был настоящий храм стимпанка — сакральное место для всех приверженцев эстетики парового века. Я был поражен увиденным и понял, что не зря заехал в этот город и посетил этот музей.

30. Помимо огромной паровой машины, которая является главным музейным объектом, здесь также были представлены различные образцы паровых машин меньшего размера, а история паровой техники рассказывалась на многочисленных информационных стендах. На этом снимке вы видите полностью функционирующую паровую машину мощностью 12 л. с.

31. Рука для весов. Машина создана в 1920 году.

32. Рядом с главным музейным экспонатом выставлен компрессор 1940 года.

33. Ранее этот компрессор использовался в железнодорожных мастерских на станции Вердау.

34. Ну а теперь поближе познакомимся с центральным экспонатом музейной экспозиции — 600-сильной паровой машиной 1899 года выпуска, которой будет посвящена вторая половина этого поста.

35. Паровая машина – символ промышленной революции, происходившей в Европе в конце 18 – начале 19 века. Хотя первые модели паровых машин были созданы разными изобретателями в начале 18 века, все они были непригодны для промышленного использования, так как имели ряд недостатков. Массовое использование паровых машин в промышленности стало возможным только после того, как шотландский изобретатель Джеймс Уатт усовершенствовал механизм паровой машины, сделав ее простой в эксплуатации, безопасной и в пять раз более мощной, чем существовавшие до этого модели.

36. Джеймс Уатт запатентовал свое изобретение в 1775 году, и уже в 1880-х годах его паровые машины начали проникать на фабрики, став катализатором промышленной революции. Произошло это в первую очередь потому, что Джеймсу Уатту удалось создать механизм преобразования поступательного движения паровой машины во вращательное. Все существовавшие ранее паровые машины могли производить только поступательные движения и использоваться только как насосы. А изобретение Уатта уже могло вращать колесо мельницы или приводить в движение фабричные машины.

37. В 1800 году фирма Уатта и его компаньона Болтона произвела 496 паровых машин, из которых только 164 использовались в качестве насосов. А уже в 1810 году в Англии насчитывалось 5 тысяч паровых машин, а в последующие 15 лет это число утроилось. В 1790 году между Филадельфией и Берлингтоном в США начал курсировать первый пароход, перевозивший до тридцати пассажиров, а в 1804 году Ричард Тревинтик построил первый действующий паровоз. Началась эпоха паровых машин, которая длилась весь девятнадцатый век, а на железной дороге и первую половину двадцатого.

38. Это была краткая историческая справка, теперь вернемся к основному объекту музейной экспозиции. Паровой двигатель, который вы видите на фотографиях, был изготовлен Zwikauer Maschinenfabrik AG в 1899 году и установлен в машинном отделении прядильной фабрики «C.F.Schmelzer und Sohn». Паровая машина предназначалась для привода прядильных машин и использовалась в этой роли до 1941 года.

39. Шикарный шильдик. В то время промышленная техника производилась с большим вниманием к эстетическому виду и стилю, была важна не только функциональность, но и красота, которая отражалась в каждой детали этой машины.В начале ХХ века уродливую технику просто никто бы не купил.

40. Прядильная фабрика «C.F.Schmelzer und Sohn» была основана в 1820 году на месте нынешнего музея. Уже в 1841 году на заводе была установлена ​​первая паровая машина мощностью 8 л. с. для вождения прядильных машин, который в 1899 году был заменен новым, более мощным и современным.

41. Фабрика просуществовала до 1941 года, затем производство было остановлено в связи с началом войны.Все сорок два года машина использовалась по прямому назначению, как привод прядильных машин, а после окончания войны в 1945-1951 годах служила резервным источником электроэнергии, после чего и была окончательно написана списание с баланса предприятия.

42. Как и многие ее братья, машину бы подрезали, если бы не один фактор. Эта машина была первой паровой машиной в Германии, которая получала пар по трубам от расположенной вдали котельной.Кроме того, у нее была система регулировки оси от PROELL. Благодаря этим факторам автомобиль в 1959 году получил статус исторического памятника и стал музеем. К сожалению, в 1992 году все фабричные корпуса и здание котельной были снесены. Этот машинный зал — единственное, что осталось от бывшей прядильной фабрики.

43. Волшебная эстетика эпохи пара!

44. Шильдик на корпусе системы регулировки осей от PROELL. Система регулировала отсечку — количество пара, которое пропускается в цилиндр.Больше отсечка — больше КПД, но меньше мощность.

45. Инструменты.

46. По своей конструкции эта машина представляет собой паровую машину многократного расширения (или как их еще называют составная машина). В машинах этого типа пар расширяется последовательно в несколько цилиндров возрастающего объема, переходя от цилиндра к цилиндру, что позволяет значительно повысить коэффициент полезного действия двигателя. Эта машина имеет три цилиндра: в центре рамы находится цилиндр высокого давления — именно в него подавался свежий пар из котельной, затем после цикла расширения пар передавался в цилиндр среднего давления, который расположен справа от цилиндра высокого давления.

47. Совершив работу, пар из цилиндра среднего давления перешел в цилиндр низкого давления, который вы видите на этом рисунке, после чего, совершив последнее расширение, был выпущен наружу по отдельной трубе. Таким образом, наиболее полно используется энергия пара.

48. Стационарная мощность данной установки составляла 400-450 л.с., максимальная 600 л.с.

49. Гаечный ключ для ремонта и обслуживания автомобилей внушительных размеров.Под ним проходят канаты, с помощью которых вращательные движения передавались от маховика машины к трансмиссии, соединенной с прядильными машинами.

50. Безупречная эстетика Belle Époque в каждом винте.

51. На этой картинке можно подробно рассмотреть устройство машины. Расширяющийся в цилиндре пар передавал энергию поршню, который в свою очередь совершал поступательное движение, передавая его кривошипно-ползунковому механизму, в котором оно преобразовывалось во вращательное и передавалось на маховик и далее на трансмиссию.

52. Раньше к паровой машине подключали генератор электрического тока, который также сохранился в отличном первозданном виде.

53. Раньше на этом месте располагался генератор.

54. Механизм передачи крутящего момента от маховика к генератору.

55. Теперь вместо генератора установлен электродвигатель, с помощью которого несколько дней в году на потеху публике приводится в движение паровая машина.Ежегодно в музее проходят «Дни пара» — мероприятие, объединяющее любителей и моделистов паровых машин. В наши дни паровая машина также приводится в движение.

56. Оригинальный генератор постоянного тока сейчас на вторых ролях. В прошлом он использовался для выработки электроэнергии для заводского освещения.

57. Произведено «Elektrotechnische & Maschinenfabrik Ernst Walther» в Вердау в 1899 году, согласно паспортной табличке, но на заводской табличке стоит 1901 год.

58. Так как я был единственным посетителем музея в тот день, никто не мешал мне насладиться эстетикой этого места один на один с машиной. Кроме того, отсутствие людей способствовало получению хороших фотографий.

59. Теперь несколько слов о трансмиссии. Как видно на этом рисунке, поверхность маховика имеет 12 канатных канавок, с помощью которых вращательное движение маховика передавалось далее на элементы трансмиссии.

60. Передача, состоящая из колес различного диаметра, соединенных валами, распределяла вращательное движение на несколько этажей фабричного здания, на которых располагались прядильные машины, приводимые в действие энергией, передаваемой трансмиссией от паровой машины.

61. Маховик с канавками для канатов крупным планом.

62. Здесь хорошо видны элементы трансмиссии, с помощью которых крутящий момент передавался на вал, проходящий под землей и передающий вращательное движение в здание завода, примыкающее к машинному залу, в котором находились машины.

63. К сожалению, заводское здание не сохранилось и за дверью, которая вела в соседнее здание, теперь только пустота.

64. Отдельно стоит отметить электрощит управления, который сам по себе является произведением искусства.

65. Мраморная доска в красивой деревянной раме с расположенными на ней рядами рычагов и предохранителей, роскошный фонарь, стильная бытовая техника — Belle Époque во всей красе.

66.Впечатляют два огромных предохранителя, расположенных между фонарем и приборами.

67. Предохранители, рычаги, регуляторы — все оборудование эстетично. Видно, что при создании этого щита о внешнем виде позаботились не в последнюю очередь.

68. Под каждым рычагом и предохранителем находится «кнопка» с надписью, что этот рычаг включает/выключает.

69. Великолепие техники периода «прекрасной эпохи».

70.В завершение рассказа вернемся к автомобилю и насладимся восхитительной гармонией и эстетикой его деталей.

71. Регулирующие клапаны для отдельных компонентов машины.

72. Масленки капельные предназначены для смазывания движущихся частей и узлов машины.

73. Это устройство называется масленкой. От движущейся части машины червяки приводятся в движение, перемещая поршень масленки, и он нагнетает масло к трущимся поверхностям.После того, как поршень достигает мертвой точки, его поднимают назад поворотом рукоятки, и цикл повторяется.

74. Как красиво! Чистый восторг!

75. Цилиндры машины с колонками впускных клапанов.

76. Еще масленки.

77. Эстетика классического стимпанка.

78. Распределительный автомат, регулирующий подачу пара в цилиндры.

79.

80.

81.Все это очень-очень красиво! Огромный заряд вдохновения и радостных эмоций я получил, посетив этот машинный зал.

82. Если судьба вдруг занесет вас в регион Цвиккау, обязательно посетите этот музей, не пожалеете. Сайт музея и координаты: 50°43″58″N 12°22″25″E

Принцип действия паровой машины

Содержание

Аннотация

1. Теоретическая часть

1. 1 Хронология

1.2 Паровая машина

1.2.1 Паровой котел

1.2.2 Паровые турбины

1.3 Паровые машины

1.3.1 Первые пароходы

1.3.2 Рождение двухколесных транспортных средств 19040 Паровые двигатели

1.4.1 Преимущество паровых двигателей

1.4.2 Эффективность

2. Практическая часть

2.1 Строительство механизма

2.2 Способы для улучшения машины и его эффективности

2.3 анкета

вывод

библиография

Приложение

Паровая машина Полезное действие

Настоящая научная работа состоит из 32 листов.Он включает в себя теоретическую часть, практическую часть, приложение и заключение. В теоретической части вы узнаете о принципе действия паровых машин и механизмов, об их истории и роли их применения в жизни. В практической части подробно описан процесс конструирования и испытания парового механизма в домашних условиях. Эта научная работа может служить наглядным примером работы и использования энергии пара.

Введение

Мир покорный любым капризам природы, где машины приводятся в движение силой мускулов или силой водяных колес и ветряных мельниц — таким был мир технологий до создания паровой машины.горящий, способен сместить препятствие (например, лист бумаги), находящееся на его пути. Это заставило человека задуматься о том, как можно использовать пар в качестве рабочего тела. В результате этого после многих экспериментов появилась паровая машина. А представьте заводы с дымящимися трубами, паровые машины и турбины, паровозы и пароходы — весь сложный и могучий мир паровой техники, созданный человеком. Паровая машина была практически единственным универсальным двигателем и сыграла огромную роль в развитии человечества.Изобретение паровой машины послужило толчком к дальнейшему развитию транспортных средств. В течение ста лет это был единственный промышленный двигатель, универсальность которого позволяла использовать его на заводах, железных дорогах и на флоте. Изобретение паровой машины – огромный прорыв, стоявший на рубеже двух эпох. И по прошествии столетий все значение этого изобретения ощущается еще острее.

Гипотеза:

Можно ли построить своими руками простейший механизм, который работал на пару.

Цель работы: сконструировать механизм, способный двигаться на паре.

Цель исследования:

1. Изучить научную литературу.

2. Спроектировать и построить простейший механизм, работающий на паре.

3. Рассмотреть возможности повышения эффективности в будущем.

Данная научная работа послужит пособием на уроках физики для старшеклассников и для всех, кто интересуется этой темой.

Паровая машина — тепловая поршневая машина, в которой потенциальная энергия водяного пара, поступающего от парового котла, преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня или вращательного движения вала.

Пар является одним из распространенных теплоносителей в тепловых системах с подогревом жидкого или газообразного рабочего тела наряду с водой и термальными маслами. Водяной пар имеет ряд преимуществ, среди которых простота и гибкость применения, низкая токсичность, возможность привнести в технологический процесс значительное количество энергии. Его можно использовать в различных системах, предполагающих непосредственный контакт теплоносителя с различными элементами оборудования, эффективно способствуя снижению энергозатрат, уменьшению выбросов и быстрой окупаемости.

Закон сохранения энергии — фундаментальный закон природы, установленный опытным путем и заключающийся в том, что энергия изолированной (замкнутой) физической системы сохраняется во времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть в никуда, она может только переходить из одной формы в другую. С фундаментальной точки зрения, согласно теореме Нётер, закон сохранения энергии есть следствие однородности времени и в этом смысле универсален, т. е. присущ системам самой разной физической природы.

3000 г. до н.э. — первые дороги появились в Древнем Риме.

2000 г. до н.э. — колесо стало нам более привычным. Он имел ступицу, обод и соединяющие их спицы.

1700 г. до н.э. — появились первые дороги, вымощенные деревянными блоками.

312 г. до н.э. — Первые мощеные дороги были построены в Древнем Риме. Толщина кладки достигала одного метра.

1405 — появились первые весенние конки.

1510 — конная повозка обзавелась кузовом со стенками и крышей.Пассажиры имеют возможность защитить себя от непогоды во время поездки.

1526 — Немецкий ученый и художник Альбрехт Дюрер разработал интересный проект «безлошадной повозки», приводимой в движение мускульной силой людей. Люди, идущие сбоку от вагона, вращали специальные ручки. Это вращение с помощью червячного механизма передается на колеса каретки. К сожалению, вагон не был изготовлен.

1600 — Саймон Стевин построил яхту на колесах, двигающуюся под действием силы ветра.Она стала первой конструкцией безлошадной повозки.

1610 — лафеты подверглись двум существенным улучшениям. Во-первых, ненадежные и слишком мягкие ремни, которые раскачивали пассажиров во время поездки, заменили на стальные пружины. Во-вторых, была усовершенствована конская упряжь. Теперь лошадь тянула повозку не шеей, а грудью.

1649 — прошли первые испытания по использованию пружины, предварительно скрученной человеком, в качестве движущей силы. Повозка с рессорным приводом была построена Иоганном Хаухом в Нюрнберге.Однако историки ставят под сомнение эту информацию, так как есть версия, что вместо большой пружины внутри кареты сидел человек, который приводил механизм в движение.

1680 — первые образцы верховой езды появились в общественном транспорте крупных городов.

1690 — Штефан Фарффлер из Нюрнберга создал трехколесную тележку, которая движется с помощью двух ручек, вращаемых руками. Благодаря этому приводу конструктор вагонов мог передвигаться с места на место без помощи ног.

1698 — Англичанин Томас Савери построил первый паровой котел.

1741 — Русский механик-самоучка Леонтий Лукьянович Шамшуренков направил в Нижегородскую губернскую контору «рапорт» с описанием «самоходной кареты».

1769 — Французский изобретатель Кюньо построил первую в мире паровую машину.

1784 — Джеймс Уатт строит первую паровую машину.

1791 — Иван Кулибин сконструировал трехколесную самоходную повозку, вмещавшую двух пассажиров.Привод осуществлялся с помощью педального механизма.

1794 — Паровая машина Куньо была передана в «хранилище машин, инструментов, моделей, рисунков и описаний всех видов декоративно-прикладного искусства» как очередная механическая диковинка.

1800 — есть мнение, что именно в этом году в России был построен первый в мире велосипед. Его автором был крепостной Ефим Артамонов.

1808 — На улицах Парижа появился первый французский велосипед. Он был сделан из дерева и состоял из перекладины, соединяющей два колеса.В отличие от современного велосипеда, у него не было ни руля, ни педалей.

1810 г. — в Америке и странах Европы начало зарождаться вагоностроение. В крупных городах появились целые улицы и даже кварталы, населенные мастерами-кучерами.

1816 — Немецкий изобретатель Карл Фридрих Дрейс построил машину, напоминающую современный велосипед. Как только он появился на улицах города, он получил название «бегущая машина», так как его владелец, отталкиваясь ногами, фактически бежал по земле.

1834 г. — парусный экипаж конструкции М. Акуэта прошел испытания в Париже. Этот экипаж имел мачту высотой 12 м.

1868 — Считается, что в этом году француз Эрн Мишо создал прототип современного мотоцикла.

1871 — Французский изобретатель Луи Перро разработал велосипедный паровой двигатель.

1874 г. — в России построен паровой колесный трактор. В качестве прототипа использовался английский автомобиль «Эвелин Портер».

1875 — В Париже была продемонстрирована первая паровая машина Амадея Бёлли.

1884 год — американец Луис Копленд построил мотоцикл, на котором над передним колесом была установлена ​​паровая машина. Эта конструкция могла разгоняться до 18 км/ч.

1901 — в России построен пассажирский паровоз Московского велосипедного завода «Дукс».

1902 год — Леон Серполле на одной из своих паровых машин установил мировой рекорд скорости — 120 км/ч.

Через год он установил еще один рекорд — 144 км/ч.

1905 — американец Ф. Марриотт на паровой машине превысил скорость 200 км

1.2 Паровой двигатель

Паровой двигатель. Пар, полученный при нагревании воды, используется для движения. В некоторых двигателях пар заставляет двигаться поршни в цилиндрах. Это создает возвратно-поступательное движение. Подключенный механизм обычно преобразует его во вращательное движение. Паровозы (локомотивы) используют поршневые двигатели. Паровые турбины также используются в качестве двигателей, которые создают прямое вращательное движение за счет вращения ряда колес с лопастями. Паровые турбины приводят в действие электрогенераторы и гребные винты кораблей.В любой паровой машине теплота, образующаяся при нагреве воды в паровом котле (бойлере), преобразуется в энергию движения. Тепло может быть получено от сжигания топлива в печи или от ядерного реактора. Самая первая в истории паровая машина была своеобразным насосом, с помощью которого откачивали воду, затоплявшую шахты. Он был изобретен в 1689 году Томасом Савери. В этой очень простой по конструкции машине пар конденсировался в небольшое количество воды, и за счет этого создавался частичный вакуум, благодаря которому вода высасывалась из шахтного ствола.В 1712 году Томас Ньюкомен изобрел поршневой насос с паровым приводом. В 1760-х годах Джеймс Уатт усовершенствовал конструкцию Ньюкомена и создал гораздо более эффективные паровые машины. Вскоре их стали использовать на заводах для питания станков. В 1884 году английский инженер Чарльз Парсон (1854-1931) изобрел первую практическую паровую турбину. Его конструкции были настолько эффективны, что вскоре стали заменять поршневые паровые двигатели на электростанциях. Самым удивительным достижением в области паровых машин было создание полностью закрытой работающей паровой машины микроскопических размеров.Японские ученые создали его, используя методы, используемые для создания интегральных схем. Небольшой ток, проходящий через электрический нагревательный элемент, превращает каплю воды в пар, который приводит в движение поршень. Теперь ученым предстоит выяснить, в каких областях это устройство может найти практическое применение.

ПАРОВАЯ РОТАЦИОННАЯ ДВИГАТЕЛЬ и ПАРОВАЯ АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВАЯ ДВИГАТЕЛЬ

Роторная паровая машина (паровая машина роторного типа) — уникальная энергетическая машина, освоение производства которой еще не получило должного развития.

С одной стороны, роторные двигатели различных конструкций существовали в последней трети XIX века и даже хорошо работали, в том числе для привода динамо-машин для выработки электроэнергии и снабжения всевозможных объектов. Но качество и точность изготовления таких паровых машин (паровых машин) были очень примитивными, поэтому они имели низкий КПД и малую мощность. С тех пор маленькие паровые машины ушли в прошлое, но вместе с действительно неэффективными и бесперспективными поршневыми паровыми машинами ушли в прошлое и роторные паровые машины, имеющие хорошие перспективы.

Основная причина в том, что на уровне техники конца 19 века не было возможности сделать действительно качественный, мощный и долговечный роторный двигатель.
Поэтому из всего многообразия паровых двигателей и паровых машин до наших дней успешно и активно дожили только паровые турбины огромной мощности (от 20 МВт и выше), на долю которых сегодня приходится около 75% выработки электроэнергии в нашей стране. Паровые турбины большой мощности также обеспечивают энергией ядерные реакторы боевых подводных лодок-ракетоносцев и крупных арктических ледоколов.Но все они отличные автомобили. Паровые турбины резко теряют весь свой КПД при уменьшении размеров.

…. Вот почему мощных паровых машин и паровых машин мощностью ниже 2000 — 1500 кВт (2 — 1,5 МВт), которые бы эффективно работали на паре, полученном при сжигании дешевого твердого топлива и различных халявных горючих отходов, сейчас в мире нет.
Именно в этой пустой сегодня области техники (и абсолютно голой, но остро нуждающейся в коммерческой нише), в этой рыночной нише машин малой мощности паровые роторные двигатели могут и должны занять свое весьма достойное место. А потребность в них только в нашей стране исчисляется десятками и десятками тысяч… Особенно малые и средние энергетические машины для автономной выработки электроэнергии и автономного электроснабжения нужны малым и средним предприятиям в районах, удаленных от крупных городов и крупные электростанции: — на малых лесопильных заводах, удаленных шахтах, в вахтовых поселках и лесничествах и т. д. и т. п.
…..

..
Давайте посмотрим на факторы, которые делают роторные паровые машины лучше, чем их ближайшие родственники, паровые машины в виде поршневых паровых машин и паровых турбин.
… — 1) Роторные двигатели представляют собой силовые машины объемного расширения, подобные поршневым двигателям. Те. они имеют малый расход пара на единицу мощности, так как пар в их рабочие полости подается время от времени, причем строго дозированными порциями, а не постоянным обильным потоком, как в паровых турбинах. Вот почему паровые роторные двигатели намного экономичнее паровых турбин на единицу выходной мощности.
— 2) Роторные паровые машины имеют плечо приложения действующих газовых сил (тормозное плечо) значительно (во много раз) больше, чем поршневые паровые машины.Поэтому мощность, развиваемая ими, намного выше, чем у паровых поршневых двигателей.
— 3) Паровые роторные машины имеют значительно больший рабочий ход, чем поршневые паровые машины, т.е. обладают способностью преобразовывать большую часть внутренней энергии пара в полезную работу.
— 4) Паровые роторные машины могут эффективно работать на насыщенном (влажном) паре, без затруднений допуская конденсацию значительной части пара с переходом ее в воду непосредственно в рабочих секциях паровой роторной машины.Это также повышает КПД паросиловой установки с использованием паровой роторной машины.
— 5 ) Пароротационные двигатели работают со скоростью 2-3 тысячи оборотов в минуту, что является оптимальной скоростью для выработки электроэнергии, в отличие от слишком медленных поршневых двигателей (200-600 об/мин) традиционных паровых машин локомотивного типа, или от слишком быстроходные турбины (10-20 тыс. об/мин).

В то же время паровые роторные двигатели технологически относительно просты в изготовлении, что делает затраты на их изготовление относительно низкими.В отличие от чрезвычайно дорогих в производстве паровых турбин.

ТАК, ОБЗОР ЭТОЙ СТАТЬИ — паровая роторная машина — очень эффективная паросиловая машина для преобразования давления пара из теплоты сжигания твердого топлива и горючих отходов в механическую энергию и в электрическую энергию.

Автор этого сайта уже получил более 5 патентов на изобретения по различным аспектам конструкций паровых роторных двигателей. Выпускался также ряд небольших роторных двигателей мощностью от 3 до 7 кВт.Сейчас мы проектируем паровые роторные двигатели мощностью от 100 до 200 кВт.
Но у роторных двигателей есть «родовой недостаток» — сложная система уплотнений, которые для малых двигателей оказываются слишком сложными, миниатюрными и дорогими в производстве.

В то же время автор сайта разрабатывает паровые аксиально-поршневые двигатели с встречно-встречным движением поршня. Такая компоновка является наиболее энергоэффективной силовой вариацией из всех возможных схем поршневой системы.
Эти двигатели небольших размеров несколько дешевле и проще роторных двигателей и уплотнения в них применяются самые традиционные и простые.

Ниже представлено видео с использованием небольшого аксиально-поршневого оппозитного двигателя с противоположными поршнями.

В настоящее время производится такой аксиально-поршневой оппозитный двигатель мощностью 30 кВт. Ресурс двигателя предполагается в несколько сотен тысяч часов, так как частота вращения паровой машины в 3-4 раза ниже частоты вращения двигателя внутреннего сгорания, в паре трения. поршень-цилиндр» — подвергнуты ионно-плазменному азотированию в вакуумной среде и имеют твердость поверхностей трения 62-64 единицы HRC.Подробнее о процессе поверхностного упрочнения азотированием см.

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

Паровая машина – это тепловая машина, в которой потенциальная энергия расширяющегося пара преобразуется в механическую энергию, отдаваемую потребителю.

С принципом работы машины ознакомимся по упрощенной схеме рис.один.

Внутри цилиндра 2 находится поршень 10, который может двигаться вперед и назад под давлением пара; цилиндр имеет четыре канала, которые можно открывать и закрывать. Два верхних паровых канала 1 и 3 соединены трубопроводом с паровым котлом, и по ним в цилиндр может поступать свежий пар. Через два нижних капеля 9 и 11 из цилиндра высвобождается уже завершившая работу пара.

На схеме показан момент, когда открыты каналы 1 и 9, каналы 3 и 11 закрыто.Поэтому свежий пар из котла по каналу 1 поступает в левую полость цилиндра и своим давлением перемещает поршень вправо; в это время отработанный пар удаляется из правой полости цилиндра по каналу 9. При крайнем правом положении поршня каналы 1 и 9 закрыты, а 3 на вход свежего пара и 11 на выпуск отработанного пара открыты, в результате чего поршень будет двигаться влево.При крайнем левом положении поршня каналы открываются 1 и 9 и каналы 3 и 11 закрываются и процесс повторяется. Таким образом создается прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня.

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

Величина крутящего момента на главном валу непостоянна. Действительно, сила Р , направленный вдоль ствола (рис. 2), можно разложить на две составляющие: ТО направлена ​​вдоль шатуна, а Н , перпендикулярно плоскости направляющих параллелей. Сила N не влияет на движение, а только прижимает ползунок к направляющим параллелям. Мощность ТО передается по шатуну и воздействует на кривошип.Здесь ее снова можно разложить на две составляющие: сила Z , направленная по радиусу кривошипа и прижимающая вал к подшипникам, и усилие Тл. перпендикулярно кривошипу и заставляя вал вращаться. Величина силы Т будет определена из рассмотрения треугольника АКЗ. Так как угол ZAK = ? + ?, затем

Т = К грех (? + ?).

Но из треугольника ОКР сила

К= П/ кос ?

Вот почему

Т= пси( ? + ?) / кос ? ,

При работе машины за один оборот вала углы ? и ? и прочность Р непрерывно изменяются, поэтому величина крутильной (тангенциальной) силы Тл также переменная.Для создания равномерного вращения главного вала за один оборот на нем установлен тяжелый маховик, за счет инерции которого обеспечивается постоянная угловая скорость вращения вала. В те моменты, когда мощность Т увеличивается, он не может сразу увеличить скорость вращения вала, пока не разгонится маховик, что не происходит мгновенно, так как маховик имеет большую массу. В те моменты, когда работа, произведенная силой кручения т , становится меньше работы сил сопротивления, создаваемых потребителем, маховик опять же в силу своей инерционности не может сразу уменьшить свою скорость и, отдавая энергию, полученную при его разгоне, помогает поршню преодолевать нагрузку.

В крайних положениях углов поршня? +? = 0, поэтому sin (? + ?) = 0 и, следовательно, T = 0. Поскольку в этих положениях нет вращающей силы, если бы машина была без маховика, сон должен был бы остановиться. Эти крайние положения поршня называются мертвыми положениями или мертвыми точками. Через них также проходит кривошип за счет инерции маховика.

В мертвых положениях поршень не соприкасается с крышками цилиндров, между поршнем и крышкой остается так называемое вредное пространство.В объем вредного пространства входит также объем паровых каналов от парораспределительных органов до цилиндра.

Ход S называют путь, пройденный поршнем при переходе из одного крайнего положения в другое. Если расстояние от центра главного вала до центра шатунной шейки — радиус кривошипа — обозначить R, то S = 2R.

Объем цилиндра V h называется объемом, описываемым поршнем.

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

В зависимости от давления, с которым пар выходит из цилиндра, машины делятся на вытяжные, если пар выходит в атмосферу, конденсационные, если пар поступает в конденсатор (холодильник, где поддерживается пониженное давление), и теплоотводные, в которых отработанный в машине пар используется для каких-либо целей (нагрев, сушка и т.)

Описание паровой машины, 4 июня 1800 г.

Описание ртутного двигателя

На рисунке изображен двигатель, предназначенный для работы с очень небольшим трением. Следует отметить, что для упрощения чертежа выпускной кран по старому принципу заменен воздушным насосом и конденсатором, что, однако, на практике предпочтительнее. дышащие клапаны с каждой стороны поршня для отвода воздуха и воды, которые могут скапливаться над ртутью, но поскольку цель состоит только в том, чтобы показать принцип работы машины, они опущены

Меркурий поднимется под действием обычного атмосферного давления, если это давление брать с его верхней поверхности примерно на 30 дюймов. Если затем закрытую сверху трубку достаточной длины погрузить в ртуть на глубину 30 дюймов, высота по обеим сторонам трубки: но если бы внутри был создан вакуум, то он был бы на 30 дюймов выше внутри, чем без трубки, как в барометре.Тогда ртуть упадет на 15 дюймов снаружи и поднимется на столько же внутри трубки, или, другими словами, будет иметь высоту 45 дюймов внутри и 15 дюймов снаружи, в этом случае трубка может быть поднята на 15 дюймов, то есть до уровня внешней ртути до того, как воздух сможет пройти в трубку. Если бы эта трубка была закрыта другой, то при создании между ними вакуума ртуть вернулась бы на свой первоначальный уровень, [но если] во внутреннюю трубку ввести атмосферу, а между трубками существует вакуум, положение ртути будет перевернута и будет иметь высоту 45 дюймов между трубками и только 15 дюймов во внутренней. Затем внутренняя труба будет прижата всей тяжестью атмосферы до тех пор, пока она не поднимется так высоко, что пропустит воздух из одного сторону на другую, чтобы восстановить равновесие —

Когда этот принцип установлен, простой осмотр чертежа (который представляет собой часть двигателя) объяснит характер машины.а. Это деревянный блок высотой не менее 48 дюймов, через который проходят паровая и конденсационная трубы, он покрыт цилиндром из листового железа, оставляя небольшое пространство i & k примерно ⅙ дюйма между блоком и трубой. железный цилиндр, который должен работать как поршень. К нему должен быть прикреплен рабочий шток, который проходит через сальник в верхней части внешнего цилиндра (на чертеже не показан) — С — внешний цилиндр, который также может быть изготовлен из листового железа. Промежуточное пространство должно быть заполнено ртутью до высоты 30 дюймов, если требуется не более 16 дюймов хода. больше, 63 дюйма допустят ход в четыре фута, потому что 15 дюймов будут перенесены с одной стороны цилиндра на другую под давлением пара.

Очевидно, что если пар впускается во внутренний цилиндр или, вернее, в средний цилиндр или поршень, через паровой кран G и конденсируется через конденсационную трубку H., в то время как пар поступает сверху или между поршнем и внешним цилиндром. , что поршень должен опускаться со всем давлением пара, когда, с другой стороны, он сгущается без или над и впускается под поршень, он должен подниматься с равной силой. Когда он поднимается и опускается в жидкости, он будет ощущать небольшое трение, но трение рабочего стержня (и даже его можно снять, если учесть момент с помощью ртути, примененной, как указано выше) — и трение роликов, помещенных в дно поршня, чтобы предотвратить его колебания.Единственная потеря мощности в двигателе возникает из-за воздействия пара на ртуть при ходе вниз, но она была бы чрезвычайно мала в двигателе диаметром 30 дюймов, ни это, ни трение не превышали бы ½℔ на дюйм. Если используются воздушные насосы, они должны иметь форму двигателя, чтобы работать с небольшим трением.

Преимущества этого двигателя перед Docr. Ватты есть. 1-й. малое трение, в то время как наиболее одобренные двигатели в 30 дюймов, как я сужу из фактического опыта, включая двигатель воздушного насоса, превышают ⅓ всей мощности или 5 ℔ на квадратный дюйм — 2d. Невозможность выхода какой-либо части паров с одной на другую сторону поршня, зло, которое едва ли может предотвратить величайшая осторожность в двигателе Докра Уоттса после того, как он проработает три дня.Это приводит к очень значительной потере мощности. 3d Экономия времени и усилий, затрачиваемых на повторную набивку поршня, которую необходимо повторять очень часто, по крайней мере, один раз в 14 дней, и поэтому она требует постоянного присутствия мастера. 4-й. Свобода от износа. Двигатель такой конструкции должен служить веками.

Воду или масло можно использовать там, где целью является добыча воды из шахт вместо ртути, поскольку таким образом все механизмы могут быть деревянными и может быть получен ход 16 футов или любая другая необходимая длина. Я настругал множество из них, но, думая достаточно, чтобы показать принцип, я не буду беспокоить вас ими —

внутренний цилиндр b рабочий стержень д. средний цилиндр, служащий поршнем эл. паровая трубка к внешнему цилиндру c наружным цилиндром ф. трубка конденсации к внешнему цилиндру г. Паровая трубка к внутреннему цилиндру Х.конденсатная трубка — i и k промежутки между цилиндрами, заполненные ртутью до высоты, пропорциональной длине хода—

Разработка модели многоцелевой оптимизации для поддержки принятия решений о размерах новой технологии поршневого парового двигателя | Дж. Энергетический ресурс. Технол.

Чтобы получить полезные данные о размерах и масштабировании компромисса для лиц, принимающих решения о конструкции парового двигателя, использующих разработанную имитационную модель двигателя, была проведена серия многоцелевых оптимизационных исследований путем решения уравнения. (20) с различными наборами рассматриваемых входных переменных. Первое исследование включало использование оптимизатора для изменения значений первых семи параметров, перечисленных в таблице 5 (например, x (1)– x (7)), при фиксированном значении x (8). отверстия, используемого в существующем стандартном двигателе прототипа. Затем были проведены три исследования по оптимизации с фиксированными значениями диаметра цилиндра 85 мм, 100 мм и 115 мм соответственно, все из которых больше, чем диаметр стандартного прототипа двигателя.Другими словами, оптимизатор снова варьировал от x (1) до x (7), а x (8) фиксировался на значениях 85, 100, а затем 120 мм в следующих трех последовательных исследованиях оптимизации, чтобы определить потенциальное влияние диаметра цилиндра на работу двигателя. В каждом из этих исследований ход двигателя определялся с использованием фиксированного соотношения диаметра цилиндра к ходу, равного 1,2, которое было определено как оптимальное на основе обзора исследований двигателей внутреннего сгорания, сосредоточенных на оптимальном объемном КПД (например,г. , см. ссылку. [22]). В пятом и последнем исследовании учитывались все восемь переменных, перечисленных в таблице 5 (например, x (1)– x (8)), и использовалось фиксированное отношение диаметра к ходу 1,2. Результаты по границе Парето, полученные в результате каждого из этих исследований, представлены вместе на рис. 14 вместе с КПД и средним крутящим моментом, предсказанным моделью гармонического парового двигателя для геометрии прототипа двигателя в целях сравнения. Переменные дизайна и фиксированные параметры, рассмотренные в каждом из этих исследований, приведены в Таблице 7 ниже.

Как видно на рис. 14, гармоническая модель парового двигателя предсказывает сильную зависимость между диаметром цилиндра и крутящим моментом двигателя, и, кроме того, результаты показывают, что теоретически возможно повысить эффективность двигателя за счет эффективного выбора другого двигателя. рассматриваемые параметры, в частности переменные, определяющие динамику впускного лепесткового клапана. Прогнозируемые абсолютные значения крутящего момента и КПД были опущены по соображениям интеллектуальной собственности, но результаты ясно показывают возможности использования прогностической модели и многокритериальной оптимизации конструкции для помощи в концептуальном проектировании новой технологии двигателя как заметного улучшения по сравнению с Предполагается, что текущий прототип двигателя будет возможен.

Еще один результат использования многоцелевой оптимизации проектирования для помощи в процессе концептуального проектирования сложной системы, такой как гармонический паровой двигатель, заключается в том, что результаты могут выявить корреляцию между оптимальными значениями для интересующих системных параметров. Пример этого представлен на рис. 15, на котором изображены графики рассеяния всех полученных многокритериальных оптимальных значений для 4 входных параметров модели по сравнению с прогнозируемой оптимальной целью (т. г., η и Т ). Были рассчитаны и нанесены на рисунок коэффициенты корреляции для каждой из взаимосвязей параметров, а взаимосвязи параметров, имеющие значимую корреляцию, выделены черными маркерами. В качестве примера типов информации, которые могут быть определены из данных оптимизации, этот график показывает, что вдоль определенных оптимальных по Парето границ для гармонического парового двигателя была предсказана сильная корреляция между собственной частотой впускного лепесткового клапана.

Узнайте о применении теплового двигателя

В действительности двигатель должен быть быстродействующим, т. е. цикл должен выполняться как можно быстрее. Таким образом, эти факторы необходимо учитывать при проектировании машины. Двигатель Карно практически исключен, так как процесс очень медленный.

В двигателе Отто поглощение тепла происходит почти мгновенно.

Первоначально был предложен цикл Отто с двигателем, состоящим из цилиндра и поршня. Цилиндр снабжен впускными клапанами для воздуха и газа. На рисунке представлена ​​четырехтактная схема двигателя Отто.

В полном цикле четыре такта.

• Такт зарядки/впуска: впускные клапаны открываются, и подходящая смесь газа и воздуха всасывается в цилиндр за счет движения поршня вперед.

• Такт сжатия: Все клапаны закрыты; горючая смесь адиабатически сжимается за счет обратного движения поршня.

• Рабочий ход/такт расширения: Поршень выбрасывается вперед с огромной силой, благодаря сгоранию выделяется большое количество тепла, что повышает температуру и создается соответствующее высокое давление.

• Такт выпуска: После третьего такта цилиндр заполняется смесью газов, бесполезной для дальнейшей работы. Выпускные клапаны открыты, и поршень движется назад, чтобы вытолкнуть смесь.

КПД двигателя Отто низкий.Низкий КПД двигателя Отто побудил некоторых ученых начать исследования с идеи о том, что эффективность цикла Карно может быть достигнута некоторыми процессами.

В дизельном цикле топливо воспламеняется за счет тепла, выделяющегося при сжатии воздуха в камере сгорания. Во время сжатия в дизельный двигатель не подается газ или бензин. Индикаторная диаграмма приведена для идеализированного дизельного цикла. Дизельный цикл может выполняться в цилиндре, снабженном воздухозаборниками, подводами масла и выпускными клапанами.

Дизельные двигатели применяются в автомобилях, самолетах, тепловозах, кораблях, подводных лодках и т. д.

Четырехтактный идеализированный дизельный двигатель показан выше.

• Впускной клапан открыт: начинается такт всасывания.

• Все клапаны закрыты: такт сжатия.

• Окончание впрыска топлива, все клапаны закрыты: Идет рабочий ход.

• Начало такта выпуска: выпускной клапан открыт.

Некоторые недостатки дизельных двигателей:

Большая степень сжатия, развитие огромного давления и т. д. Степень сжатия относится к степени, при которой топливная смесь (например, газ+воздух, масло+воздух и т. д.) любого теплового двигателя сжимается до начала зажигания.

Большая степень сжатия увеличивает вес двигателя. Таким образом, стоимость становится высокой также.

Генерация огромного давления оказывает большую нагрузку на компоненты двигателя, что также приводит к интенсивному сгоранию топлива.

Чтобы избежать этих проблем, был изобретен другой тип двигателя, известный как полудизельный двигатель.

Клапан поршневой (паровой двигатель) | Тракторно-строительный завод Wiki

Для нелокомотивных поршневых клапанов см. Поршневой клапан.

Схема цилиндра и поршневого клапана. Затем клапан открывается путем перемещения его вправо, позволяя свободному пространству в середине клапана выровняться с каналом в цилиндре над ним.

Поршневые клапаны представляют собой один из видов клапанов, используемых для управления потоком пара в паровом двигателе или локомотиве.Они контролируют поступление пара в цилиндры и его выпуск из цилиндров после использования, позволяя локомотиву двигаться своим ходом.

Обзор

В 19 веке паровозы использовали золотниковые клапаны для управления потоком пара в цилиндры и из них. В 20 веке золотниковые клапаны постепенно вытеснялись поршневыми клапанами, особенно в двигателях, использующих перегретый пар. Тому было две причины:

• В присутствии перегретого пара трудно надлежащим образом смазать золотниковые клапаны
• С поршневыми клапанами можно сделать более короткими пути для пара.Это, особенно после работы Андре Шапелона, снижает сопротивление потоку пара и повышает эффективность.

Обычные клапанные механизмы локомотивов, такие как клапанные механизмы Стивенсона, Вальшерта и Бейкера, могут использоваться как с золотниковыми клапанами, так и с поршневыми клапанами. Там, где используются тарельчатые клапаны, может использоваться другая шестерня, такая как шестерня клапана Caprotti, хотя стандартные шестерни, упомянутые выше, также использовались Chapelon и другими.

Примеры

Двигатель Swannington с наклонной обмоткой 1833 г. включал поршневой клапан

Двигатель Swannington с наклонной обмоткой на железной дороге Лестер-Суоннингтон, изготовленный компанией Horsely Coal & Iron в 1833 г., демонстрирует очень раннее использование поршневого клапана . ^[1] Поршневые клапаны использовались за год или два до этого в горизонтальных двигателях, производимых Тейлором и Мартино из Лондона, но не применялись для стационарных или локомотивных двигателей до конца 19 века. ^[2]

Принципы проектирования

Во время движения паровой локомотив требует, чтобы пар поступал в поршень с контролируемой скоростью. ^[3] Это влечет за собой управление впуском и выпуском пара в цилиндры и из них. ^[3] Пар входит и выходит из клапана через отверстие для пара, обычно в среднем положении поршневого клапана. ^[3] Если клапан соприкасается с паровыми портами, необходимо учитывать «нахлест» и «заход».

Круг

«Нахлест» — это величина, на которую клапан перекрывает каждый паровой порт в среднем положении каждого клапана. ^[3] Тем не менее, существует два разных типа «Лап».

Первый тип — это «перекрытие пара», то есть величина, на которую клапан перекрывает отверстие на стороне острого пара в цилиндре. ^[3] Во-вторых, существует «перекрытие выхлопа», то есть величина, на которую клапан перекрывает отверстие на выпускной стороне цилиндра. «Выхлопной круг» обычно дают тихоходным локомотивам. ^[3] Это связано с тем, что пар остается в цилиндре максимально долгое время, прежде чем он будет израсходован в виде выхлопных газов, что повышает эффективность. ^{[3] Маневровые локомотивы} , как правило, были оснащены этим дополнением.

«Отрицательный перехлест выхлопа», также обычно называемый «выпускным зазором», представляет собой величину, на которую порт открыт для выхлопа, когда клапан находится в среднем положении, и он используется на многих быстроходных локомотивах для обеспечения свободного выхлопа. . ^[3] Величина редко превышает 1/16 дюйма, если указан зазор выхлопа; цилиндр с обеих сторон поршня открыт для выпуска в то же время, когда клапан проходит через среднее положение, которое кратковременно при работе. ^[3]

Свинец

«Опережение» клапана — это величина, на которую открывается паровой порт, когда поршень неподвижен в передней или задней мертвой точке. ^[3] Предварительный впуск пара заполняет зазор между цилиндром и поршнем и обеспечивает максимальное давление в цилиндре в начале хода. ^[3] «Опережение» особенно необходимо на локомотивах, предназначенных для высоких скоростей, при которых события клапана происходят в быстрой последовательности. ^[3]

Ход клапана

Поршневые клапаны с большим ходом позволяют использовать большие паровые порты для облегчения потока пара в цилиндр и из него.

Расчет событий клапана

Учитывая перекрытие, опережение и ход клапана, в какой момент хода поршня клапан открывается и закрывается, для пара и для выпуска?

Вычислить точный ответ на этот вопрос до компьютеров было слишком сложно.Простое приближение (используемое в диаграммах Цойнера и Реало) состоит в том, чтобы представить, что и клапан, и поршень совершают синусоидальное движение (как они были бы, если бы основной шток был бесконечно длинным). Затем, например, чтобы вычислить процент хода поршня, при котором прекращается подача пара:

• Вычислите угол, косинус которого равен удвоенному кругу, деленному на ход клапана
• Вычислите угол, косинус которого равен удвоенному (нахлест плюс ход), деленному на ход клапана

Сложите два угла и получите косинус их суммы; вычтите из этого косинуса 1 и умножьте результат на -50.

Построенный I1s 2-10-0 Пенсильвании имел круг 2 дюйма, ход 1/4 дюйма и ход клапана 6 дюймов на полной передаче. На полной передаче два угла составляют 48,19° и 41,41°, а максимальное отсечное значение составляет 49,65% хода поршня.

См. также

Каталожные номера

1. ↑ Clinker, CR (1977) The Leicester & Swannington Railway Bristol: Avon Anglia Publications & Services. Перепечатано из Трудов Археологического общества Лестершира, том XXX, 1954 г.
2. ↑ Информационная табличка на паровозе Swannington, Национальный железнодорожный музей, Йорк.
3. ↑ 3.00 ^{3,01 3,02 3,03 3,04 3,05 3,06 3,07 3,08 3,09 3,10 3,11 Garratt, С. & Wade-Мэттьюз, М .: Полная энциклопедия паровых и железнодорожных локомотивов: почти 2 века развития локомотивов и железных дорог (Лондон: Hermes Publishing Company, Ltd., 1998) ISBN 1-84038-088-8}

Схема устройства и принцип работы паровой машины. Болотные ребята! Пять последних автомобилей с паровыми двигателями Современные паровые двигатели ICE

Современный мир заставляет многих изобретателей вернуться к идее использования паровой установки в средстве, предназначенном для движения. В автомобилях возможно применение нескольких вариантов силовых агрегатов, работающих на пару.

  Поршневой двигатель

Современные паровые машины можно разделить на несколько групп:

Конструктивно установка включает:

• пусковое устройство;
• двухцилиндровый силовой агрегат;
Парогенератор
• в специальном контейнере, оснащенном змеевиком.

Процесс выглядит следующим образом. После включения зажигания начинает поступать питание от аккумуляторной батареи трех двигателей. От первого откачивается воздуходувка, прокачивающая воздушные массы через радиатор и передающие их по воздушным каналам к смесительному устройству с горелкой.

Одновременно другой электродвигатель приводит в действие топливоперекачивающий насос, который подает конденсатную массу из бака через змеевиковое устройство ТЭНа в корпус водоотделителя и нагревателя, расположенного в экономайзере, к парогенератору.
 До начала пуска у пары нет возможности пройти к цилиндрам, так как путь к ней перекрывает дроссельная заслонка или золотник, которые управляются механикой коромысла. Повернув рукоятки в сторону, необходимую для движения, и открыв вентиль, механик приводит в действие паровой механизм.
  Пары отходов в одном коллекторе поступают на распределительный клапан, в котором они делятся на пару неравных долей. Меньшая часть поступает в сопло смесительной горелки, смешивается с воздушной массой, воспламеняется от свечи. Появившееся пламя начинает нагревать емкость. После этого продукты сгорания проходят в водоотделитель, конденсат влаги стекает в специальный резервуар для воды. Остаток газа уходит.

Паровая установка может быть напрямую подключена к приводному передаточному устройству машины, и с началом ее работы машина приходит в движение. Но для повышения эффективности специалисты рекомендуют использовать механику сцепления. Это удобно для буксировки и различных тестовых операций.

Прибор характеризуется возможностью работы практически без ограничений, возможны перегрузки, имеется широкий диапазон регулировки показателей мощности. Следует добавить, что при любой остановке паровая машина перестает работать, чего нельзя сказать о двигателе.

В конструкции нет необходимости установки редуктора, отпарного устройства, фильтра очистки воздуха, карбюратора, турбокомпрессора. Кроме того, система зажигания в упрощенном виде, здесь всего одна свеча зажигания.

В заключение можно добавить, что производство таких машин и их эксплуатация будут дешевле автомобилей с двигателем внутреннего сгорания, так как топливо будет недорогим, материалы, используемые в производстве, будут самыми дешевыми.

Наткнулся в интернете на интересную статью.

Американский изобретатель Роберт Грин разработал совершенно новую технологию получения кинетической энергии путем преобразования остаточной энергии (как и другие виды топлива). Паровые машины Грина усилены поршнями и предназначены для широкого круга практических целей. »
  Так что, ни больше, ни меньше: совершенно новая технология. Ну, конечно, я начал искать, пытался вникать. остаточная энергия двигателей.Конкретнее, остаточная энергия выхлопа двигателя может быть преобразована в энергию, идущую на насосы и системы охлаждения агрегата.  Так что из этого, я так понимаю, выхлопными газами, приводить воду до кипения, а затем преобразовать пар в движение.Насколько нужно и малозатратно, потому что… хоть этот двигатель, как говорится, специально сконструирован из минимального количества деталей, но все же он как-то стоит и есть ли смысл городить огород, тем более принципиально нового в этом изобретении не вижу. Придумано множество механизмов для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное. На сайте автора двухцилиндровая модель продается в принципе не дорого
всего 46 долларов.
 На сайте автора есть видео с использованием солнечной энергии, также есть фото, где кто-то на лодке использует этот двигатель.
Но в обоих случаях это явно не остаточное тепло. Короче, в надежности такого двигателя я сомневаюсь: «Шаровые опоры одновременно являются полыми каналами, по которым в цилиндры подается пар».   А ваше мнение, уважаемые пользователи сайта?
  Статьи на русском языке

Паровой двигатель

Сложность в изготовлении: ★★★★ ☆

Срок изготовления: Один день

Доступные материалы: ████████░░ 80%

В этой статье я расскажу вам о том, как сделать паровую машину своими руками собственные руки.Двигатель будет небольшим, однопоршневым с золотником. Мощности хватает, чтобы вращать ротор небольшого генератора и использовать этот двигатель как автономный источник электроэнергии в походах.

• Телескопическая антенна (можно снять со старого телевизора или радиоприемника), диаметр самой толстой трубки должен быть не менее 8 мм
• Малая трубка для поршневой пары (сантехника).
• Медный провод диаметром около 1,5 мм (можно найти в трансформаторном или радиомагазине).
• Болты, гайки, винты
• Свинец (в рыболовном магазине или в старом автомобильном аккумуляторе). Он нужен, чтобы отлить маховик в форму. Я нашел готовый маховик, но этот предмет может вам пригодиться.
• Деревянные брусья.
• Спицы для велосипедных колес
• Стойка (в моем случае из листа текстолита толщиной 5 мм, но подойдет и фанера).
• Деревянные бруски (кусочки досок)
• Банка из-под оливок
• Трубка

• Суперклей, холодная сварка, эпоксидка (строительный рынок).
• Наждак
• Дрель
• Паяльник
• Ножовка

Как сделать паровую машину

Схема двигателя

Цилиндр и золотник.



Отрежьте от антенны 3 части:
? Первая деталь имеет длину 38 мм и диаметр 8 мм (сам цилиндр).
? Второй кусок имеет длину 30 мм и диаметр 4 мм.
? Третий имеет длину 6 мм и диаметр 4 мм.

Возьмите трубку №2 и проделайте в середине отверстие диаметром 4 мм.Берем трубку №3 и приклеиваем перпендикулярно к трубке №2, после высыхания суперклея промазываем все холодной сваркой (например, POXIPOL).

Шайбу железную круглую с отверстием посередине крепим к заготовке №3 (диаметр чуть больше трубы №1), после высыхания укрепляем холодной сваркой.


Дополнительно промазываем все стыки эпоксидной смолой для большей герметичности.

Как сделать поршень с шатуном

Возьмите болт (1) диаметром 7 мм и зажмите его в тисках.Начинаем наматывать на него медный провод (2) примерно 6 витков. Каждый виток промазываем суперклеем. Обрезаем лишние концы болта.

Проволока покрыта эпоксидной смолой. После высыхания подгоняем поршень наждачной бумагой под цилиндр, чтобы он там свободно двигался, не пропуская воздух.

Из листа алюминия делаем полосу длиной 4 мм и длиной 19 мм. Придаем ему форму буквы П (3).

Сверлим с обоих концов отверстия (4) диаметром 2 мм, чтобы можно было воткнуть кусочек спицы.Стороны П-образной детали должны быть 7х5х7 мм. Приклейте его к поршню со стороной, которая составляет 5 мм.

Шатун (5) делаем из велосипедной спицы. Приклейте к обоим концам спиц по два небольших отрезка трубочек (6) от антенны диаметром и длиной 3 мм. Расстояние между центрами шатуна 50 мм. Далее вставьте шатун одним концом в П-образную деталь и шарнирно зафиксируйте его спицей.


Иголку приклеиваем с обоих концов, чтобы не выпадала.

Шатун треугольник

Шатун треугольник изготавливается аналогично, только с одной стороны будет кусок спицы, а с другой стороны трубочка. Длина шатуна 75 мм.


Треугольник и катушка


Вырезаем треугольник из листа металла и сверлим-сверлим в нем 3 отверстия.
Золотник Длина поршня золотника составляет 3,5 мм, и он должен свободно перемещаться по трубке золотника. Длина штока зависит от размера вашего маховика.

Кривошип штока поршня должен быть 8 мм, а кривошип золотника должен быть 4 мм.


• Паровой котел

  
  Паровой котел будет представлять собой банку из-под оливок с герметичной крышкой. Еще я припаял гайку, чтобы через нее можно было наливать воду и затянуть болтом. Также припаял трубку к крышке.
  Вот фото:

  Сборка фото двигателя

  Мы собираем двигатель на деревянной платформе, поместив каждый элемент на поддержку

  Паровой двигатель ВИДЕО

  
  
  

• Версия 2.0

  
  Косметическая доработка двигателя. Танк теперь имеет собственную деревянную платформу и блюдце для сухой топливной таблетки. Все детали окрашены в красивые цвета. Кстати, в качестве источника тепла лучше всего использовать самодельный

В те годы, когда автомобиль только начинался, двигатель внутреннего сгорания лежал лишь на одном из направлений конструкторской мысли. С автомобилем, где использовались двигатели такого рода, успешно конкурировали паровые и электрические. Паровая машина француза Луи Сорполя даже установила рекорд скорости в 1902 году.А в последующие годы — безраздельного господства газового двигателя, нашлись отдельные энтузиасты пара, которые никак не могли смириться с тем, что этот вид энергии был вытеснен с шоссейных дорог. Братья Стэнли строили паровые машины с 1897 по 1927 год. Их машины были вполне совершенными, но несколько громоздкими. Другая родственная пара, тоже американка, братья Добл, продержалась чуть дольше. Они закончили неравную борьбу в 1932 году, создав несколько десятков паровых машин. Одна из этих машин до сих пор находится в эксплуатации, не претерпев практически никаких изменений.Был установлен только новый котел и дизельная форсунка. Давление пара достигает 91,4 атм. при температуре 400°С. Максимальная скорость автомобиля очень высока – около 200 км/ч. Но самое замечательное — это возможность при трогании развивать огромный крутящий момент. Двигатели внутреннего сгорания не обладают этим свойством паровой машины, и поэтому в свое время было так сложно внедрить дизель в паровозы. Автомобиль братьев Добл прямо с места проехал по блоку размером 30 на 30 см, подложенному под колеса.Еще одно любопытное свойство: он задним ходом поднимается в гору быстрее, чем обычные передние автомобили. Отработанный пар используется только для вращения вентилятора и генератора, заряжающего аккумулятор. Но этот автомобиль так и остался бы диковинкой, претендентом на место в музее истории техники, если бы взоры дизайнеров в наши дни не обратились вновь к старым идеям — электромобилю и парочке — под влиянием опасности обусловлен загрязнением воздуха.

Что привлекательного в паровой машине с этой точки зрения? Чрезвычайно важным свойством является очень низкий выброс вредных веществ с продуктами сгорания.Происходит это потому, что топливо сгорает не вспышками, как в бензиновом двигателе, а непрерывно, процесс горения стабилен, время горения значительно больше.

В этом вроде бы и вовсе нет открытия — отличие паровой машины от двигателя внутреннего сгорания заключается в самом принципе их работы. Почему паровые машины не конкурировали с бензиновыми? Потому что их двигатели имеют ряд серьезных недостатков.

Первый — общеизвестный факт: водителей-любителей сколько угодно, а водителей-водителей пока нет.В этой области человеческой деятельности занимаются исключительно профессионалы. Самое главное, что шофер-любитель, управляя автомобилем, рискует только своей жизнью и теми, кто добровольно ему доверился; водитель тысячи других. Но важно и другое: обслуживание парового двигателя требует более высокой квалификации, чем обслуживание бензинового двигателя. Ошибка приводит к серьезному повреждению и даже взрыву котла.

Второй. Кто не видел паровую машину, мчащуюся в белом облаке по рельсам? Облако – это пар, выпущенный в атмосферу.Паровоз — мощная машина; на ней достаточно места для большого котла с водой. Но машины мало. И это одна из причин отказа от паровых машин.

Третье и самое главное — низкий КПД паровой машины. Недаром в промышленно развитых странах все паровозы на магистралях сейчас пытаются заменить тепло- и электровозы, недаром неэффективность паровоза даже стала поговоркой.8% — ну какой же это КПД?

Чтобы его увеличить, нужно увеличить температуру и давление пара. К КПД паровой машины мощностью 150 л. от. и выше 30% должно поддерживаться рабочее давление 210 кг/см2, для чего необходима температура 370°. Технически это осуществимо, но на самом деле крайне опасно, ведь даже небольшая утечка пара в двигателе или котле может привести к катастрофе. А от высокого давления до взрыва — расстояние совсем небольшое.

Это основные трудности. Есть и поменьше (хотя надо заметить, что в технике мелочей не бывает). Цилиндры смазывать сложно, так как масло образует эмульсию с горячей водой, попадает в трубы котла, где осаждается на стенках. Это ухудшает теплопроводность и вызывает сильный локальный перегрев. Еще одна «мелочь» — сложность запуска паровой машины по сравнению с обычной.

Тем не менее, конструкторы взялись за очень старое и совершенно новое для них дело.Две удивительные по своей конструкции машины вышли на улицы американских городов. Внешне они не отличались от обычных автомобилей, даже обтекаемая форма напоминала спортивную. Это были паровые машины. Оба стартовали менее чем за 30 секунд. после включения двигателя они развивали скорость до 160 км/ч, работали на любом топливе, включая керосин, и расходовали на 800 километров 10 галлонов воды.

В 1966 году Форд испытал четырехтактный быстроходный паровой двигатель для автомобиля рабочим объемом 600 см3.Испытания показали, что выхлопные газы содержат всего 20 частиц углеводорода на 1 миллион (постановлением сенатской комиссии по загрязнению воздуха разрешено 27 частиц), угарного газа содержится 0,05% от общей массы выхлопных газов, что в 30 раз меньше. чем допустимая сумма.

Экспериментальный паровой автомобиль General Motors под индексом Е-101 был показан на выставке автомобилей с необычными двигателями. Внешне он не отличался от машины, на которой создавался «Понтиак», но двигатель вместе с котлом, конденсатором и другими узлами паровой системы весил на 204 кг больше.Водитель сел на свое место, повернул ключ и подождал секунд 30-45, пока не загорится лампочка. Это означало, что давление пара достигло нужного значения и можно идти. Такой короткий промежуток времени можно разделить на такие этапы.

Котел полный — включается топливный насос, топливо поступает в камеру сгорания, смешивается с воздухом.

Зажигание.

Температура и давление пара достигли нужного уровня, пар поступает в цилиндры. Двигатель работает на холостом ходу.

Водитель нажимает на педаль; количество пара, поступающего в двигатель, увеличивается, машина трогается с места. Любое топливо — дизель, керосин, бензин.

Все эти эксперименты позволили Роберту Айресу из Вашингтонского центра перспективных разработок заявить, что недостатки паровой машины преодолены. Дороговизна при серийном производстве конечно снизится. Котел, состоящий из труб, исключает опасность взрыва, так как в любой момент времени в работе участвует лишь небольшое количество воды.Если трубы разместить ближе, размер двигателя уменьшится. Антифриз устраняет опасность замерзания. Паровой машине не нужны коробка передач, трансмиссия, стартер, карбюратор, глушитель, системы охлаждения, газораспределения и зажигания. В этом его огромное преимущество. Режим работы машины можно регулировать, подавая больше или меньше пара в цилиндры. Если вместо воды использовать фреон, который замерзает при очень низких температурах и даже обладает смазывающим свойством, то польза возрастет еще больше.Паровые двигатели конкурируют с обычными по приемистости, расходу топлива и мощности на единицу веса.

Пока о широком использовании паровых машин речи не идет. Ни один автомобиль не доведен до промышленного образца, и перестраивать автомобилестроение никто не собирается. Но конструкторы-любители не имеют никакого отношения к промышленной технике. И одну за другой они создают оригинальные модели автомобилей с паровыми двигателями.

Два изобретателя, Петерсон и Смит, переделали подвесной мотор.Они подавали пар в цилиндры через отверстия для свечей. Двигатель массой 12 кг развивал мощность 220 л. от. при 5600 об/мин Их примеру последовали инженер-механик Питер Барретт и его сын Филипп. Используя старое шасси, они построили паровую машину. Смит поделился с ними опытом. Отец и сын использовали четырехцилиндровый подвесной мотор, соединив его с паровой турбиной Смита.

Пар производился в специально сконструированном котле, который содержит около 400 футов медных и стальных труб, соединенных в спиральные пучки, проходящие одна над другой.Это увеличивает циркуляцию. Вода подается в котел насосом из бака. Топливо смешивается с воздухом в камере сгорания, и раскаленные языки пламени соприкасаются с трубами. Через 10-15 сек. вода превращается в сжатый пар с температурой примерно 350°С и давлением 44 кг/см. Он выбрасывается с противоположного конца парогенератора и направляется на вход в двигатель.

Пар поступает в цилиндр через вращающиеся лопатки, по которым проходят каналы постоянного сечения.
Внешняя муфта коленчатого вала жестко связана цепной передачей с ведущими колесами.

Наконец, перегретый пар сделал свою полезную работу, и теперь он должен превратиться в воду, чтобы быть готовым снова начать цикл. Таким образом, конденсатор выглядит как обычный автомобильный радиатор. Он расположен спереди — для лучшего охлаждения встречными потоками воздуха.

Наибольшие трудности инженеров заключаются в том, что зачастую для достижения хотя бы относительной простоты конструкции им приходится снижать и без того невысокую экономичность автомобиля.Советы Смита и Петерсона очень помогли двум дизайнерам-любителям. Именно в результате совместной работы в конструкцию было введено много ценных новинок. Начните хотя бы с воздуха для горения. Перед непосредственным поступлением в горелку ее нагревают, проходя между раскаленными стенками котла. Это обеспечивает более полное сгорание топлива, сокращает время выброса, а также делает более высокой температуру горения смеси и, следовательно, КПД

Для воспламенения горючей смеси в обычном паровом котле используется простая свеча. Питер Барретт разработал более эффективную систему — электронное зажигание. В качестве горючей смеси используется спирт-ректификат, так как он дешев и имеет высокое октановое число. Разумеется, подойдет и керосин, дизель и другие жидкие сорта.

Но самое интересное тут конденсатор. Конденсация больших количеств пара считается основной трудностью современных паросиловых установок. Смит спроектировал радиатор таким образом, чтобы в нем использовалась водяная пыль. Конструкция работает отлично, система конденсирует влагу на 99%.Вода почти не расходуется — за исключением того небольшого количества, которое все же просачивается через уплотнения.

Еще одна интересная новинка — система смазки. Цилиндры паровых машин обычно смазываются сложным и громоздким устройством, распыляющим в паре тяжелую масляную пыль. Масло оседает на стенках цилиндров и затем выбрасывается с отработанным паром. В дальнейшем масло необходимо отделить от водяного конденсата и вернуть в систему смазки.

В заколках используется химический эмульгатор, который поглощает оба элемента — воду и масло, а затем разделяет их, что устраняет необходимость в громоздком инжекторе или механическом сепараторе.Испытания показывают, что при работе химического эмульгатора не образуются осадки ни в паровом котле, ни в конденсаторе.

Также интересен механизм сцепления, который напрямую соединяет двигатель с приводным валом и карданной передачей. У машины нет коробки передач; скорость регулируется изменением подачи пара в цилиндры. Использование системы «впуск-выпуск» позволяет легко поставить двигатель в нейтральное положение. Пар можно направить в двигатель, нагреть его и одновременно привести паровой котел в состояние готовности к активной работе, поддерживая при этом постоянное давление, близкое к рабочему.Паровая машина развивает мощность 30-50 л. с, а галлона топлива хватает для перемещения автомобиля на расстояние 15-20 миль, что вполне сравнимо с расходом топлива автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Система управления довольно сложная, но полностью автоматизированная; вам остается только следить за рулевым механизмом и выбирать необходимую скорость. На испытаниях машина развивала скорость около 50 миль в час, но это предел, так как ходовая часть машины не соответствовала мощности двигателя.

Вот результат. Все это пока эксперименты. Но кто знает, не станем ли мы свидетелями нового засилья пара на дорогах — теперь уже не железных, а шоссейных.
ЯРОВ Р., инженер
Модельер 1971.

Паровые машины применялись в качестве приводных двигателей на насосных станциях, паровозах, на пароходах, тракторах, паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому коммерческому использованию машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленного переворота XVIII века.Позднее на смену паровым машинам пришли двигатели внутреннего сгорания, паровые турбины, электродвигатели и ядерные реакторы, КПД которых выше.

Паровая машина в действии

Изобретение и разработка

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном из Александрии в I веке – так называемая «ванна Герона», или «эолипил». Пар, тангенциально выходящий из сопел, установленных на шаре, приводил последний во вращение. Предполагается, что преобразование пара в механическое движение было известно в Египте в период римского владычества и использовалось в простых устройствах.

Первые промышленные двигатели

Ни одно из описанных устройств фактически не использовалось как средство решения полезных задач. Первой паровой машиной, использованной в производстве, стала «пожарная машина», сконструированная британским военным инженером Томасом Сайвери в 1698 году. В 1698 году Савер получил патент на свое устройство. Это был поршневой паровой насос, и явно не очень эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось при охлаждении емкости, и эксплуатировать его было довольно опасно, так как из-за высокого давления пара баки и трубопроводы иногда взрывался двигатель.Поскольку это устройство можно было использовать как для вращения колес водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт, изобретатель называл его «другом горняка».

Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свою «атмосферную машину», которая была первой паровой машиной, на которую мог возникнуть коммерческий спрос. Это была усовершенствованная паровая машина Севери, в которой Ньюкомен значительно уменьшил рабочее давление пара. Новичок мог быть основан на описании экспериментов Папена в Лондонском королевском обществе, к которым он мог получить доступ через члена сообщества Роберта Гука, который работал с Папеном.

Схема паровой машины Ньюкомена.
  — пар отображается фиолетовым, вода — синим.
 — Открытые клапаны показаны зеленым цветом, закрытые — красным

Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В валовом насосе балка была соединена со штоком, спускавшимся в вал по направлению к насосной камере. Возвратно-поступательная тяга передавалась на поршень насоса, подававшего воду вверх. Клапаны ранних двигателей Ньюкомена открывались и закрывались вручную. Первым усовершенствованием стала автоматизация клапанов, которые приводились в действие самой машиной. Легенда гласит, что это усовершенствование сделал в 1713 году мальчик Хамфри Поттер, который должен был открывать и закрывать вентили; когда ему надоело, он привязывал ручки вентилей веревками и шел играть с детьми. К 1715 году уже была создана рычажная система управления, приводившаяся в движение механизмом самого двигателя.

Первую в России двухцилиндровую вакуумную паровую машину сконструировал механик И.И. Ползунова в 1763 г. и построенный в 1764 г. для привода воздуходувных мехов на барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.

Хамфри Гейнсборо построил модель конденсаторного парового двигателя в 1760-х годах. В 1769 году шотландский механик Джеймс Уатт (возможно, используя идеи Гейнсборо) запатентовал первые значительные усовершенствования вакуумного двигателя Ньюкомена, которые сделали его значительно более экономичным. Вклад Ватта заключался в том, чтобы отделить фазу конденсации вакуумного двигателя в отдельной камере, в то время как поршень и цилиндр имели температуру пара. Уатт добавил к двигателю Ньюкомера несколько важных деталей: он поместил внутрь цилиндра поршень для выталкивания пара и преобразовал возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение ведущего колеса.

На основе этих патентов Уатт построил паровую машину в Бирмингеме. К 1782 году паровая машина Уатта была более чем в 3 раза производительнее, чем у Ньюкомена. Увеличение КПД двигателя Ватта привело к использованию энергии пара в промышленности. Кроме того, в отличие от двигателя Ньюкомена, двигатель Уатта допускал передачу вращательного движения, тогда как в ранних моделях паровых машин поршень соединялся с балкой, а не непосредственно с шатуном.Этот двигатель уже имел основные черты современных паровых машин.

Дальнейшим повышением КПД стало использование пара высокого давления (американец Оливер Эванс и англичанин Ричард Тревитик). Р. Тревитик успешно строил промышленные однотактные двигатели высокого давления, известные как «корнуоллские двигатели». Они работали при давлении 50 фунтов на квадратный дюйм или 345 кПа (3405 атмосфер). Однако с повышением давления возникла и большая опасность взрывов в автомобилях и котлах, что поначалу привело к многочисленным авариям.С этой точки зрения важнейшим элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, сбрасывавший избыточное давление. Надежная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур строительства, эксплуатации и обслуживания оборудования.

Французский изобретатель Николя-Жозеф Кюньо в 1769 году продемонстрировал первую активную самоходную паровую машину: «fardier à vapeur» (паровая тележка). Пожалуй, его изобретение можно считать первым автомобилем.Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве передвижного 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 (Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднял на борт 30 пассажиров и шел со скоростью 7-8 миль в час. Пароход J. Fitch не имел коммерческого успеха, так как его маршруту соперничала хорошая сухопутная дорога.В 1802 году шотландский инженер Уильям Симингтон построил конкурентоспособный пароход, а в 1807 году американский инженер Роберт Фултон использовал паровой двигатель Уатта, чтобы привести в движение первый коммерчески успешный пароход. 21 февраля 1804 года первый самоходный железнодорожный паровоз, построенный Ричардом Тревитиком, был выставлен на сталелитейном заводе Пенидаррен в Мертир-Тиддвилле, Южный Уэльс.

Поршневые паровые двигатели

Поршневые двигатели используют энергию пара для перемещения поршня в герметичной камере или цилиндре.Возвратно-поступательное действие поршня может быть механически преобразовано в прямолинейное движение поршневых насосов или во вращательное движение для привода вращающихся частей машин или колес транспортных средств.

Вакуумные машины

Ранние паровые машины первоначально назывались «пожарными машинами», а также «атмосферными» или «конденсаторными» двигателями Уатта. Они работали по принципу вакуума и поэтому также известны как «вакуумные двигатели». Такие машины работали для привода поршневых насосов, во всяком случае, нет данных, что они использовались для других целей.При работе паровой машины вакуумного типа в начале такта в рабочую камеру или цилиндр вводят пар низкого давления. Затем впускной клапан закрывается, и пар охлаждается за счет конденсации. В двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется прямо в цилиндр, а конденсат уходит в сборник конденсата. Таким образом, в цилиндре создается вакуум. Атмосферное давление в верхней части цилиндра давит на поршень, и заставляет его двигаться вниз, то есть на ход поршня.

Постоянное охлаждение и подогрев рабочего цилиндра машины было очень расточительно и неэффективно, однако эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. В том же году появился вариант паровой машины, созданный Уаттом в соавторстве с Мэтью Боултоном, главным нововведением которого было вынесение процесса конденсации в специальную отдельную камеру (конденсатор). Эта камера была помещена в ванну с холодной водой и соединена с цилиндром трубкой, перекрывающейся клапаном.К конденсационной камере крепился специальный небольшой вакуумный насос (прототип конденсатного насоса), который приводился в движение коромыслом и использовался для удаления конденсата из конденсатора. Полученная горячая вода подавалась обратно в котел с помощью специального насоса (прототип питательного насоса). Еще одним радикальным нововведением стало закрытие верхнего торца рабочего цилиндра, в верхней части которого теперь находился пар низкого давления. Такой же пар присутствовал в двойной рубашке цилиндра, поддерживая ее постоянную температуру.При движении поршня вверх этот пар по специальным трубкам отводился в нижнюю часть цилиндра, чтобы в следующем цикле подвергнуться конденсации. Машина, по сути, перестала быть «атмосферной», и ее мощность теперь зависела от разницы давлений между паром низкого давления и вакуумом, который можно было получить. В паровой машине Ньюкомена поршень смазывался небольшим количеством воды, налитой на него сверху, в машине Уатта это стало невозможно, так как в верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку с смесь смазки и масла. Эта же смазка использовалась в уплотнении штока цилиндра.

Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидную ограниченность их эффективности, были относительно безопасными, в них использовался пар низкого давления, что соответствовало общему низкому уровню котельной техники XVIII века. Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндров, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора. Максимальный теоретический КПД ограничивался относительно небольшой разницей температур по обеим сторонам поршня; это сделало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими.

Сжатие

Выпускное окно цилиндра паровой машины закрывается несколько раньше, чем поршень достигает крайнего положения, при котором в цилиндре остается некоторое количество отработанного пара. Это означает, что в рабочем цикле присутствует фаза сжатия, образующая так называемую «паровую подушку», замедляющую движение поршня в его крайних положениях. Кроме того, это исключает резкий перепад давления в самом начале фазы впуска, когда в цилиндр поступает свежий пар.

Предварительный

Описанный эффект «паровой подушки» усиливается еще и тем, что поступление свежего пара в цилиндр начинается несколько раньше, чем поршень достигает крайнего положения, т. е. происходит некоторое опережение напуска. Это опережение необходимо для того, чтобы до того, как поршень начнет свой ход под действием свежего пара, пар смог заполнить мертвое пространство, возникшее в результате предыдущей фазы, то есть впускной и выпускной каналы и неиспользованный объем цилиндра для движения поршня.

Простое расширение

Простое расширение предполагает, что пар работает только тогда, когда он расширяется в цилиндре, а отработавший пар выбрасывается непосредственно в атмосферу или в специальный конденсатор. Остаточное тепло пара можно использовать, например, для обогрева помещения или автомобиля, а также для предварительного подогрева воды, поступающей в котел.

Соединение

При расширении в цилиндре машины высокого давления температура пара снижается пропорционально его расширению.Поскольку в этом случае теплообмен отсутствует (адиабатический процесс), получается, что пар входит в цилиндр с более высокой температурой, чем выходит из него. Такие изменения температуры в цилиндре приводят к снижению эффективности процесса.

Один из способов борьбы с этим перепадом температур был предложен в 1804 году английским инженером Артуром Вулфом, который запатентовал Паровая машина высокого давления Wolfe Compound . В этой машине высокотемпературный пар из парового котла поступал в цилиндр высокого давления, а затем выработанный в нем пар с более низкой температурой и давлением поступал в цилиндр (или цилиндры) низкого давления.Это уменьшило падение температуры в каждом цилиндре, что в целом уменьшило потерю температуры и повысило общий КПД паровой машины. Пар низкого давления имел больший объем, поэтому требовал большего объема цилиндра. Поэтому в составных машинах цилиндры низкого давления имели больший диаметр (а иногда и большую длину), чем цилиндры высокого давления.

Такая схема также известна как «двойное расширение», так как расширение пара происходит в две стадии. Иногда один баллон высокого давления соединяли с двумя баллонами низкого давления, что давало три примерно одинаковых по размеру баллона.Эту схему было легче сбалансировать.

Двухцилиндровые составные машины можно классифицировать как:

• Крестовина   — Цилиндры расположены рядом, их паропроводящие каналы перекрещиваются.
• Тандемный компаунд — Цилиндры расположены последовательно и используют один стержень.
• Угловое соединение  — Цилиндры расположены под углом друг к другу, обычно 90 градусов, и работают на один кривошип.

После 1880-х годов составные паровые машины получили широкое распространение в производстве и на транспорте и стали чуть ли не единственным типом, используемым на кораблях. Применение их на паровозах не получило столь широкого распространения, так как они оказались слишком сложными, отчасти из-за тяжелых условий работы паровых машин на железнодорожном транспорте. Несмотря на то, что составные паровозы не стали массовым явлением (особенно в Великобритании, где они были очень редки и после 1930-х годов вообще не использовались), в ряде стран они приобрели некоторую популярность.

Несколько внутренних номеров

Упрощенная схема паровой машины тройного расширения.
 Пар высокого давления (красный) из котла проходит через машину, выходя из конденсатора под низким давлением (синий).

Логичным развитием составной схемы стало добавление к ней дополнительных ступеней расширения, что повысило эффективность работы. Результатом стала схема многократного расширения, известная как машины тройного или даже четырехъядерного расширения. В таких паровых машинах использовался ряд цилиндров двойного действия, объем которых увеличивался с каждой ступенью. Иногда вместо увеличения объема цилиндров низкого давления применялось увеличение их количества, как и на некоторых составных машинах.

На изображении справа показана паровая машина тройного расширения. 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, так как требования к габаритам и весу судовых машин были не очень жесткими, а главное, такая схема позволяла легко использовать конденсатор, возвращающий отработавший пар в виде пресной воды обратно в котел (использовать соленую воду для питания котлов не представлялось возможным).Наземные паровые машины обычно не испытывали проблем с водоснабжением и поэтому могли выбрасывать отработанный пар в атмосферу. Поэтому такая схема была для них менее актуальна, особенно с учетом ее сложности, габаритов и веса. Господство паровых двигателей многократного расширения закончилось только с появлением и широким распространением паровых турбин. Однако современные паровые турбины используют тот же принцип разделения потока на цилиндры высокого, среднего и низкого давления.

Рядные паровые машины

Прямоточные паровые машины возникли в результате попытки преодолеть один недостаток, присущий паровым машинам с традиционным парораспределением. Дело в том, что пар в обычной паровой машине постоянно меняет направление своего движения, так как для входа и выхода пара используется одно и то же окно с каждой стороны цилиндра. Выходя из цилиндра, выхлопной пар охлаждает его стенки и парораспределительные каналы. Свежий пар, соответственно, тратит определенную часть энергии на их нагрев, что приводит к снижению КПД.Рядные паровые машины имеют дополнительное окно, открывающееся поршнем в конце каждой фазы, через которое из цилиндра выходит пар. Это повышает КПД машины, так как пар движется в одном направлении, а градиент температуры стенок цилиндра остается более или менее постоянным. Прямоточные машины с одним расширением имеют примерно такую ​​же эффективность, как и обычные парораспределительные машины. Кроме того, они могут работать на более высоких скоростях, и поэтому до появления паровых турбин их часто использовали для привода электрогенераторов, требующих высокой скорости вращения.

Прямоточные паровые машины могут быть как одинарного, так и двойного действия.

Паровые турбины

Паровая турбина представляет собой ряд вращающихся дисков, установленных на одной оси, называемой ротором турбины, и ряд чередующихся неподвижных дисков, установленных на основании, называемом статором. Диски ротора имеют снаружи лопасти, на эти лопасти подается пар, который закручивает диски. Диски статора имеют аналогичные лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора.Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размеры ступеней каждой турбины выбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, которая на нее подается. Отработавший пар, выходящий из турбины, поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень большой скоростью, поэтому при передаче вращения другому оборудованию обычно используют специальные редукторы. Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени реверсивного вращения).

Турбины преобразуют энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов для преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины более компактны, чем поршневые машины, и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины проще по конструкции, они обычно требуют меньше обслуживания.

Другие типы паровых двигателей

Приложение

Паровые двигатели можно классифицировать по их применению следующим образом:

Стационарные машины

Паровой молот

Паровая машина на старом сахарном заводе, Куба

Стационарные паровые машины можно разделить на два типа по способу использования:

• Машины с переменным режимом, к которым относятся металлопрокатные станы, паровые лебедки и аналогичные устройства, которые должны часто останавливаться и изменять направление вращения.
• Силовые машины, которые редко останавливаются и не должны менять направление вращения. К ним относятся энергетические двигатели на электростанциях, а также промышленные двигатели, использовавшиеся на заводах, фабриках и канатных дорогах до повсеместного распространения электрической тяги. Двигатели малой мощности используются на моделях кораблей и в специальных устройствах.

Паровая лебедка представляет собой стационарный двигатель, но установленный на опорной раме с возможностью перемещения. Его можно закрепить тросом и своим ходом передвинуть на новое место.

Транспортные средства

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

• Наземный транспорт:
  • Паровоз
  • Паровой трактор
  • Паровой экскаватор и даже
• Паровой самолет.

В России первый действующий паровоз был построен Е. А. и М. Е. Черепановыми на Нижне-Тагильском заводе в 1834 г. для перевозки руды. Он развивал скорость 13 миль в час и перевозил более 200 фунтов (3.2 тонны) груза. Длина первой железной дороги составляла 850 м.

Преимущества паровых двигателей

Основное преимущество паровых двигателей заключается в том, что они могут использовать практически любой источник тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определенного вида топлива. Это преимущество наиболее заметно при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не способен генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины).Кроме того, существуют и другие источники тепла, которые нельзя использовать в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии перепада температур Мирового океана на разных глубинах.

Аналогичными свойствами обладают и другие типы двигателей внешнего сгорания, например двигатель Стирлинга, которые могут обеспечить очень высокий КПД, но имеют значительно больший вес и габариты, чем современные типы паровых машин.

Паровозы

хорошо работают на больших высотах, так как их производительность не падает из-за низкого атмосферного давления.Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки, несмотря на то, что в низинах они давно вытеснены более современными типами локомотивов.

В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и Австрии (Schafberg Bahn) зарекомендовали себя новые сухие паровозы. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) с множеством современных усовершенствований, таких как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание легких фракций нефти в качестве топлива, улучшенные паропроводы. , и т.д.. В результате эти локомотивы потребляют на 60 % меньше топлива и значительно снижают потребность в техническом обслуживании. Экономические качества таких локомотивов сравнимы с современными тепловозами и электровозами.

Кроме того, паровозы значительно легче дизельных и электрических, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых машин является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передающей усилие непосредственно на колеса.

Эффективность

Паровая машина, выбрасывающая пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котел) от 1 до 8%, а вот машина с конденсатором и расширением проточной части может повысить КПД до 25% и даже больше.

.