Паровые двигатели: Сказ о том, как один мужик паровую машину комедил

История паровых машин, часть вторая / Техника / stD

Первая часть здесь…

Промышленность Англии нуждалась в большом количестве топлива, а леса становилось всё меньше. В связи с этим добыча каменного угля стала черезвычайно актуальна.
Основной проблемой добычи была вода, она затопляла шахты быстрее чем её успевали откачивать, приходилось бросать разработаные рудники и искать новые.
В силу этих причин, срочно требовались механизмы для откачки воды, вот ими то и стали первые паровые машины.

---

Следующим этапом развития паровых машин, было создание Дени Папеном (в 1690 году) поршневого парового двигателя, который совершал полезную работу за счёт нагревания и конденсации пара.

О Дени ПапенеДени Папен родился во французском городе Блуа в 1647 году. В Университете Анже он изучал медицину и получил степень доктора, но врачом не стал. Во многом его судьбу предопределила встреча с голландским физиком Х. Гюйгенсом, под влиянием которого Папен начал изучать физику и механику. В 1688 году он опубликовал описание (со своими конструктивными дополнениями) представленного Гюйгенсом в Парижскую академию наук проекта порохового двигателя в форме цилиндра с поршнем.
Папен также предложил конструкцию центробежного насоса, сконструировал печь для плавки стекла, паровую повозку и подводную лодку, изобрёл скороварку и несколько машин для подъёма воды.

Первая в мире скороварка:

В 1685 Папен был вынужден бежать из Франций (из-за гонений на гугенотов) в Германию и продолжал там работать над своей машиной.
В 1704 году, на заводе «Veckerhagen», он отлил первый в мире цилиндр для паровой машины и в том же году построил катер на паровой тяге.

Первая «машина» Дени Папена (1690 год)

           

Вода в цилиндре при нагревании превращалась в пар и двигала поршень вверх, а при охлаждении (пар конденсировался) создавалось разрежение и атмосферное давление двигало поршень вниз.

Чтобы заставить машину работать, необходимо было манипулировать стержнем-клапаном и стопором, перемещать источник пламени и охлаждать цилиндр водой.

В 1705 году Папен разработал второй паровой двигатель

При открытии крана (D), пар из котла (справа) устремлялся в среднюю ёмкость и по средствам поршня продавливал воду в ёмкость слева. После чего кран (D) закрывался, открывался краны (G) и (L) в воронку доливали воду и средняя ёмкость заполнялась новой порцией, краны (G) и (L) закрывали и повторяли цикл. Тем самым удавалась поднять воду на высоту.

В 1707 году, Папен приехал в Лондон с целью получить патент на свои работы 1690-го года. Работы не были признаны, так как к тому времени уже появились машины Томаса Севери и Томаса Ньюкомена (см. ниже).

В 1712 году Дени Папен умер обездоленным и похоронен в безымянной могиле.

Дени Папена принято считать изобретателем парового цилиндра, проложившего таким образом путь к паровому двигателю.

---

Первые паровые машины представляли из себя громоздкие стационарные насосы для перекачки воды. Это объяснялось тем, что нужно было откачивать воду из рудников и угольных шахт. Чем глубже были шахты, тем труднее было откачивать из них пребывающую воду, в итоге не выработаные шахты приходилось бросать и переходить на новое место.

---

В 1699 году, английский инженер Томас Севери, получил патент на изобретение «огневого двигателя», предназначенного для откачивания воды из рудников.
Машина Севери — это паровой насос, а не двигатель, в нем не было цилиндра с поршнем.

Главной изюминкой в машине Севери было то, что пар образовывался в отдельном котле.

СправкаСевери получил первый патент, сроком на четырнадцать лет.
Патент содержал следующий текст:
«Для подъема воды и для приведения в движение разного рода мельниц силою огня. Послужит к великой пользе и выгоде для откачки воды из шахт. Снабжения городов водой и работы мельниц там, где нет возможности воспользоваться ветряными мельницами».

Надо сказать, что владельцы рудников довольно скептически отнеслись к изобретению Севери. Идея огневой машины была уже к тому времени скомпрометирована фантастическими «прожектами» всевозможных шарлатанов. Севери пришлось приложить немалые усилия, чтобы разрекламировать свое изобретение. Он читал доклад о нем в Королевском обществе в 1699 году и опубликовал в газете описание машины, а через три года написал книгу «Друг горняка, или описание машины для подъема воды при помощи огня».

Машина могла накачивать воду в резервуар для приведения в движение водяного колеса. Она могла подавать воду в резервуар для домашнего водопровода, ее можно было установить на водокачках для снабжения города водой, с её помощью можно было осушать болота, но главным ее назначением было применение в горном деле.

Можно сказать, что Севери ввёл понятие «лошадиной силы» как единицы измерения работы машины.
«Вода при ее падении с определенной высоты, — пишет он, — имеет силу, соответствующую и равную той, которая нужна для того, чтобы поднять ее. Таким образом, если машина поднимет столько воды, сколько могут это сделать на данном механизме две лошади, работающие одновременно, для чего нужно иметь все время десять или двенадцать лошадей для выполнения этой работы, то я говорю, что моя машина выполняет работу в десять или двенадцать лошадей».

Машина Севери не нашла широкого применения, она была установлена на некоторых рудниках Корнуэлса, на двух-трех угольных шахтах и на Лондонской водонапорной станции.
Машина работала медленно и не могла подымать воду на достаточную высоту (для этого требовалось значительное повышение давление пара).
Повышение давления влекло за собой взрывы котлов, так как они изготовлялись из медных листов спаяных оловом.

Машина получила некоторое распространение для подъема воды в отдельных домах — резиденциях английской знати, и для приведения в действие фонтанов в парках.

Одна из машин бала отправлена ко двору Петра I.

Машина Томаса Севери

    

При открытии крана 5 пар из котла 2 подавался в сосуд 1, выгоняя оттуда воду по трубке 6. Клапан 10 при этом открыт, а клапан 11 закрыт. В конце нагнетания кран 5 закрывался, и через кран 9 в сосуд 1 подавалась холодная вода. Пар в сосуде 1 охлаждался, конденсировался, и давление падало, засасывая туда воду по трубке 12. Клапан 11 при этом открывался, а клапан 10 закрывался.

Насос Севери был маломощным, потреблял много топлива и работал прерывисто. В силу этих причин, машина Севери не получила широкого распространения и ей на смену пришли «поршневые паровые машины».

---

В 1705 году Томас Ньюкомен совместив идеи Севери (отдельно стоящий котёл) и Пап

Морской паровой двигатель — Marine steam engine

Периодическая временная диаграмма установки парового двигателя тройного расширения, около 1918 года. Эта конкретная диаграмма иллюстрирует возможные места отключения двигателя после катастрофы в Лузитании и других событий, которые дали понять, что это была важная функция безопасности.

Морские паровой двигатель является паровым двигателем , который используется для питания корабля или лодки . В данной статье рассматриваются в основном морские паровые двигатели поршневого типа, которые использовались с момента создания парохода в начале 19 века до последних лет крупномасштабного производства во время Второй мировой войны . В течение 20 века поршневые паровые двигатели постепенно заменялись в морских приложениях паровыми турбинами и судовыми дизельными двигателями .

История

Первый коммерчески успешный паровой двигатель был разработан Томасом Ньюкоменом в 1712 году. Усовершенствования парового двигателя, внесенные Джеймсом Ваттом во второй половине 18 века, значительно повысили эффективность парового двигателя и позволили сделать его более компактным.

Успешная адаптация парового двигателя к морским применениям в Англии должна была подождать почти столетие после Ньюкомена, когда шотландский инженер Уильям Симингтон построил в 1802 году «первый в мире практический пароход » Charlotte Dundas . В 1807 году американец Роберт Фултон построил первый в мире коммерчески успешный пароход, известный просто как North River Steamboat , с двигателем Ватта.

После успеха Фултона технология пароходов быстро развивалась по обе стороны Атлантики . Первоначально пароходы имели небольшой запас хода и не были особенно мореходными из-за своего веса, малой мощности и склонности к поломке, но они успешно использовались вдоль рек и каналов, а также для коротких путешествий вдоль побережья. Первый успешный трансатлантический переход на пароходе произошел в 1819 году, когда Саванна отплыла из Саванны, штат Джорджия, в Ливерпуль, Англия . Первым пароходом, совершавшим регулярные трансатлантические переходы, был колесный пароход

Great Western в 1838 году.

В 19 веке морские паровые двигатели и пароходная техника развивались параллельно друг другу. Лопаточная силовая установка постепенно уступила место гребному винту , а введение железных, а затем и стальных корпусов вместо традиционного деревянного корпуса позволило кораблям расти еще больше, что потребовало паровых энергетических установок, которые становились все более сложными и мощными.

Типы судовой паровой машины

Анимация типичного вертикального движка тройного расширения

В течение 19 века было разработано большое количество поршневых судовых паровых двигателей. Два основных метода классификации таких двигателей — механизм соединения и технология цилиндров .

В большинстве ранних судовых двигателей использовалась такая же технология цилиндров (простое расширение, см. Ниже), но использовалось несколько различных методов подачи энергии на коленчатый вал (т.е. соединительный механизм). Таким образом, ранние судовые двигатели классифицируются в основном по механизму соединения.

Некоторыми распространенными механизмами соединения были боковой рычаг, шпиль, балансир и механизмы прямого действия (см. Следующие разделы).

Однако паровые двигатели также можно классифицировать по цилиндровым технологиям (простые расширительные, составные, кольцевые и т. Д.). Поэтому можно найти примеры двигателей, классифицируемых обоими методами. Двигатель может быть составным типом шагающей балки, составной — технологией цилиндра, а шагающей балкой — способом соединения. Со временем, когда большинство двигателей стало прямого действия, но технологии цилиндров стали более сложными, люди начали классифицировать двигатели исключительно по технологии цилиндров.

Наиболее часто встречающиеся типы морских паровых двигателей перечислены в следующих разделах. Обратите внимание, что не все эти условия относятся исключительно к морским приложениям.

Классификация двигателей по механизму подключения

Боковой рычаг

Боковой рычаг двигателя был первым типом паровой машины, широко принятой для использования на море в Европе . В первые годы парового судоходства (с 1815 г.) боковой рычаг был наиболее распространенным типом морского двигателя для внутренних водных путей и прибрежных перевозок в Европе, и в течение многих лет он оставался предпочтительным двигателем для морских перевозок по обе стороны моря. Атлантический .

Боковой рычаг был приспособлением самой ранней формы паровой машины — балочного двигателя . Типичный двигатель с боковыми рычагами имел пару тяжелых горизонтальных железных балок, известных как боковые рычаги, которые соединялись в центре с нижней частью двигателя с помощью штифта. Это соединение позволяло ограничить дугу поворота рычагов. Эти рычаги простирались со стороны цилиндра до каждой стороны нижней части вертикального цилиндра двигателя. Шток поршня, вертикально соединенный с поршнем, выходил из верхней части цилиндра. Этот стержень прикреплен к горизонтальной траверсе, соединенной на каждом конце с вертикальными стержнями (известными как боковые стержни). Эти стержни соединены с рычагами на каждой стороне цилиндра. Это обеспечивало соединение рычагов с поршнем на стороне цилиндра двигателя. Другая сторона рычагов (противоположный конец шарнира рычага к цилиндру) соединялась между собой горизонтальной поперечиной. Эта поперечная штанга, в свою очередь, соединялась и приводила в действие единственный шатун , который вращал коленчатый вал . Вращение коленчатого вала приводилось в движение рычагами, которые со стороны цилиндра приводились в движение вертикальными колебаниями поршня.

Основным недостатком двигателя с боковым рычагом было то, что он был большим и тяжелым. Что касается внутренних водных путей и прибрежных перевозок, вскоре их заменили более легкие и эффективные конструкции. Однако на протяжении большей части первой половины XIX века он оставался доминирующим типом двигателей для морских операций из-за относительно низкого центра тяжести , что придавало кораблям большую устойчивость в сильном море. Это был также распространенный ранний тип двигателя для военных кораблей, поскольку его относительно небольшая высота делала его менее уязвимым для боевых повреждений. С момента первого парохода Королевского флота в 1820 г. до 1840 г. на вооружение поступило 70 пароходов, большинство из которых с двигателями с боковым рычагом, с котлами, настроенными на максимальное давление 4 фунта на квадратный дюйм. Низкое давление пара требовало больших размеров цилиндров для двигателей с боковым рычагом, хотя эффективное давление на поршень было разницей между давлением в котле и вакуумом в конденсаторе.

Двигатель с боковым рычагом представлял собой лопаточный двигатель и не подходил для вращения гребных винтов . Последним судном, построенным для трансатлантических перевозок с боковым двигателем, был гребной пароход RMS  Scotia компании Cunard Line , который, когда он поступил на вооружение в 1862 году, считался анахронизмом.

Кузнечик

Схема двигателя кузнечика

Двигатель с кузнечиком или «полурычажный» был вариантом двигателя с боковым рычагом. Двигатель кузнечика отличается от обычного бокового рычага тем, что расположение оси рычага и шатуна более или менее перевернуто, при этом стержень расположен на одном конце рычага, а не в центре, в то время как шатун прикреплен к рычаг между цилиндром на одном конце и шарниром на другом.

Основными преимуществами двигателя «кузнечик» были дешевизна конструкции и надежность, причем этот тип, как говорят, требовал меньшего обслуживания, чем любой другой тип судового парового двигателя. Еще одно преимущество состоит в том, что двигатель можно легко запустить из любого положения кривошипа. Однако, как и обычный двигатель с боковым рычагом, двигатели типа «кузнечик» имели недостатки по своему весу и размеру. В основном они использовались в небольших плавсредствах, таких как речные лодки и буксиры .

Крейцкопф (квадрат)

Крейцкопфный двигатель, известный также как квадрат , лесопильный или А-кадр двигатель, был типом колесного двигатель , используемым в Соединенных Штатах. Это был самый распространенный тип двигателя в первые годы американского пароходства.

Крейцкопфный двигатель описывается как имеющий вертикальный цилиндр над коленчатым валом, со штоком поршня, прикрепленным к горизонтальной траверсе, от каждого конца которой на противоположных сторонах цилиндра выходил шатун, который вращал свой собственный отдельный коленчатый вал. Крейцкопф перемещался по вертикальным направляющим, так что сборка сохраняла правильный путь при движении. Альтернативное название двигателя — «А-образная рама» — предположительно произошло от формы рам, на которых стояли эти направляющие. Некоторые двигатели с крейцкопфом имели более одного цилиндра, и в этом случае поршневые штоки обычно были соединены с одной и той же траверсой. Необычной особенностью первых двигателей этого типа была установка маховиков, прикрепленных к коленчатым валам, которые считались необходимыми для обеспечения бесперебойной работы. Эти шестерни часто работали с шумом.

Поскольку в этом типе двигателя цилиндр располагался над коленчатым валом, он имел высокий центр тяжести и поэтому считался непригодным для эксплуатации в море. Это в значительной степени ограничивалось судами, построенными для внутренних водных путей. По мере того как судовые двигатели в XIX веке становились все крупнее и тяжелее, высокий центр тяжести двигателей с квадратной крейцкопфом становился все более непрактичным, и к 1840-м годам судостроители отказались от них в пользу двигателя с шагающей балкой.

Название этого двигателя может вызвать недоумение, так как «крейцкопф» также является альтернативным названием для колокольного двигателя (см. Ниже). Поэтому многие источники предпочитают называть его неофициальным названием «квадратный двигатель», чтобы избежать путаницы. Кроме того, судовой крейцкопф или квадратный двигатель, описанный в этом разделе, не следует путать с термином « квадратный двигатель » применительно к двигателям внутреннего сгорания , который в последнем случае относится к двигателю, диаметр цилиндра которого равен его ходу .

• Модель крейцкопфа или «квадратного» двигателя, показывающая расположение цилиндра двигателя над коленчатым валом; также поршневой шток, крейцкопф, шатуны и крыльчатые колеса

• Схема типичного крейцкопфа парохода на реке Гудзон (вид сбоку)

• Весельный пароход » Нью-Йорк»

Паровая машина — Википедия. Что такое Паровая машина

Горизонтальная стационарная двухцилиндровая паровая машина для привода заводских трансмиссий. Конец XIX в. Экспонат Музея Индустриальной Культуры. Нюрнберг

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

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

Принцип действия

Рис. 4. Схема паровой машины тандем: 1 – поршень, 2 – поршневой шток, 3 – подшипник, 4 – шатун, 5 – кривошип, 6 – движение эксцентрикового клапана, 7 – маховик, 8 – скользящий клапан, 9 – центробежный регулятор Схема работы паровой машины двойного действия

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

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

Поршень образует в цилиндре паровой машины одну или две полости переменного объёма, в которых совершаются процессы сжатия и расширения, что показано на рис. кривыми зависимости давления p от объёма V указанных полостей.

Эти кривые образуют замкнутую линию в соответствии с тепловым циклом, по которому работает паровая машина между давлениями p₁ и p₂, а также объёмами V₁ и V₂. Первичный поршневой двигатель предназначен для преобразования потенциальной тепловой энергии (давления) водяного пара в механическую работу. Рабочий процесс П. м. обусловлен периодическими изменениями упругости пара в полостях её цилиндра, объём которых изменяется в процессе возвратно-поступательного движения поршня. Пар, поступающий в цилиндр паровой машины расширяется и перемещает поршень. Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется с помощью кривошипно-шатунного механизма во вращательное движение вала. Впуск и выпуск пара осуществляются системой парораспределения. Для снижения тепловых потерь цилиндры паровой машины окружаются паровой рубашкой.

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

Коэффициент полезного действия

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

ηth=WoutQin{\displaystyle \eta _{th}={\frac {W_{out}}{Q_{in}}}} ,

где

W_out — механическая работа, Дж;

Q_in — затраченное количество теплоты, Дж.

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

ηth≤1−T2T1{\displaystyle \eta _{th}\leq 1-{\frac {T_{2}}{T_{1}}}}

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

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

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

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

Преимущества и недостатки

Основным преимуществом паровых машин, как двигателей внешнего сгорания, в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива (источник тепла) — от кизяка до урана. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового океана на разных глубинах.

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

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

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

Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса.

Изобретение и развитие

Работа парового двигателя — Как работают паровые двигатели

На следующей диаграмме показаны основные компоненты поршневого парового двигателя . Такой двигатель типичен для паровоза.

Показанный двигатель представляет собой паровой двигатель двойного действия , поскольку клапан позволяет пару высокого давления попеременно воздействовать на обе стороны поршня. Следующая анимация показывает двигатель в действии.

Вы можете видеть, что золотниковый клапан отвечает за пропускание пара высокого давления в обе стороны цилиндра.Шток управления для клапана обычно зацепляется за рычажный механизм, прикрепленный к траверсе , так что движение траверсы также перемещает клапан. (На паровозе эта тяга также позволяет машинисту включить задний ход.)

На этой диаграмме видно, что отработанный пар просто выходит в воздух. Этот факт объясняет две вещи о паровозах:

• Это объясняет, почему они должны брать воду на станции — вода постоянно теряется из-за выхлопных газов.
• Это объясняет, откуда исходит звук «чу-чу». Когда клапан открывает цилиндр, чтобы выпустить пар, пар выходит под большим давлением и издает «чух!» звук при выходе. Когда поезд трогается с места, поршень движется очень медленно, но затем, когда поезд начинает катиться, поршень набирает скорость. Эффект от этого — «Чу… чу… чу… чу чу-чу-чу», который мы слышим, когда он начинает двигаться.

На паровозе крейцкопф обычно соединяется с приводной штангой , а оттуда — с соединительной штангой , которая приводит в движение колеса локомотива.Расположение часто выглядит примерно так:

Этот контент несовместим с этим устройством.

На этой схеме траверса соединена с приводной штангой, которая соединяется с одним из трех ведущих колес поезда. Три колеса соединены соединительными тягами, поэтому они вращаются в унисон.

Паровой двигатель по лучшей цене — Отличные предложения на паровой двигатель от мировых продавцов паровых двигателей

Отличные новости !!! Вы попали в нужное место для паровой машины. К настоящему времени вы уже знаете, что что бы вы ни искали, вы обязательно найдете это на AliExpress. У нас буквально тысячи отличных продуктов во всех товарных категориях. Ищете ли вы товары высокого класса или дешевые и недорогие оптовые закупки, мы гарантируем, что он есть на AliExpress.

Вы найдете официальные магазины торговых марок наряду с небольшими независимыми продавцами со скидками, каждый из которых предлагает быструю доставку и надежные, а также удобные и безопасные способы оплаты, независимо от того, сколько вы решите потратить.

AliExpress никогда не уступит по выбору, качеству и цене. Каждый день вы будете находить новые онлайн-предложения, скидки в магазинах и возможность сэкономить еще больше, собирая купоны. Но вам, возможно, придется действовать быстро, поскольку этот лучший паровой двигатель в кратчайшие сроки станет одним из самых востребованных бестселлеров. Подумайте, как вам будут завидовать друзья, когда вы скажете им, что приобрели паровой двигатель на AliExpress.Благодаря самым низким ценам в Интернете, дешевым тарифам на доставку и возможности получения на месте вы можете еще больше сэкономить.

Если вы все еще не уверены в паровой машине и думаете о выборе аналогичного товара, AliExpress — отличное место для сравнения цен и продавцов. Мы поможем вам решить, стоит ли доплачивать за высококачественную версию или вы получаете столь же выгодную сделку, приобретая более дешевую вещь.А если вы просто хотите побаловать себя и потратиться на самую дорогую версию, AliExpress всегда позаботится о том, чтобы вы могли получить лучшую цену за свои деньги, даже сообщая вам, когда вам будет лучше дождаться начала рекламной акции. и ожидаемая экономия.AliExpress гордится тем, что у вас всегда есть осознанный выбор при покупке в одном из сотен магазинов и продавцов на нашей платформе. Реальные покупатели оценивают качество обслуживания, цену и качество каждого магазина и продавца.Кроме того, вы можете узнать рейтинги магазина или отдельных продавцов, а также сравнить цены, доставку и скидки на один и тот же продукт, прочитав комментарии и отзывы, оставленные пользователями. Каждая покупка имеет звездный рейтинг и часто имеет комментарии, оставленные предыдущими клиентами, описывающими их опыт транзакций, поэтому вы можете покупать с уверенностью каждый раз. Короче говоря, вам не нужно верить нам на слово — просто слушайте миллионы наших довольных клиентов.

А если вы новичок на AliExpress, мы откроем вам секрет.Непосредственно перед тем, как вы нажмете «купить сейчас» в процессе транзакции, найдите время, чтобы проверить купоны — и вы сэкономите еще больше. Вы можете найти купоны магазина, купоны AliExpress или собирать купоны каждый день, играя в игры в приложении AliExpress. Вместе с бесплатной доставкой, которую предлагают большинство продавцов на нашем сайте, вы сможете приобрести паровой двигатель по самой выгодной цене.

У нас всегда есть новейшие технологии, новейшие тенденции и самые обсуждаемые лейблы.На AliExpress отличное качество, цена и сервис всегда в стандартной комплектации. Начните самый лучший шоппинг прямо здесь.

Кто изобрел паровой двигатель? Урок промышленной истории

Изображение предоставлено: Eder / Shutterstock.com

История парового двигателя восходит к I веку нашей эры, когда «эолипил» был впервые описан героем Александрии.Более чем 1500 лет спустя примитивные формы турбин, приводимых в движение паром, были объяснены Таки ад-Дином в 1551 году, а также Джованни Бранка в 1629 году. Это были либо небольшие паровые домкраты, либо спусковые механизмы. Их использовали в основном изобретатели, чтобы продемонстрировать, что паровую энергетику нельзя недооценивать.

История парового двигателя — открытие энергии пара

В 1700-х годах горняки столкнулись с серьезной промышленной проблемой, связанной с добычей воды из глубоких шахт.В это время была продемонстрирована истинная сила пара, поскольку эта энергия использовалась для откачки воды из глубины шахты. Так была открыта потенциальная сила пара, что привело к изобретению полноценной паровой машины.

Паровые электростанции в современном мире появились позже. Основным принципом, по которому работали первые паровые машины, была «конденсация водяного пара для создания вакуума». Позже это стало зависеть от расширяющейся мощности пара для движения поршней в обоих направлениях.

Кто вообще изобрел паровой двигатель?

Томас Савери был первым человеком, который изобрел паровой насос для откачки воды в 1698 году. Он назвал его «вода от огня». Запатентованный им паровой насос работал за счет кипячения воды до тех пор, пока она полностью не превратилась в пар. затем собирали в резервуар, извлекая весь пар из исходного резервуара, тем самым создавая вакуум в исходном контейнере, который использовался для производства достаточного количества энергии для откачки воды из шахт.Это оказалось временным решением, поскольку энергия могла вытягивать воду с глубины всего в несколько метров. Еще одним недостатком этого насоса было то, что давление пара использовалось для удаления воды, которая втягивалась внутрь резервуара. Давление было слишком большим для котлов, и произошло несколько взрывов, так как котлы были недостаточно мощными.

• Томас Савери: биография Томаса Савери с информацией о его двигателе.
• Разработка парового двигателя: статья освещает разработку парового двигателя, включая вклад Savery и атмосферные двигатели.

Thomas Newcomen Steam Engine

В 1712 году Томас Ньюкомен изобрел эффективный и практичный паровой двигатель. Паровая машина, которую он разработал, состояла из поршня и цилиндра, соединенных с насосом посредством качающейся балки. Подобно конструкции Савери, атмосферный двигатель Ньюкомена использовал конденсирующийся пар в цилиндре для создания вакуума. В результате разность давлений между вакуумом и атмосферой была достаточной, чтобы толкнуть поршень в цилиндр и поднять насос.Затем вес насоса втягивал бы поршень обратно в цилиндр, и клапан открывался бы, выпуская пар из котла. Затем другой клапан вводит конденсирующуюся воду в цилиндр, и пар снова конденсируется в воду, повторяя цикл.

Балочный двигатель Ньюкомена использовался более 50 лет в качестве насосов для угольных шахт, которые в противном случае были бы затоплены и заброшены. Они оказались неэффективными, поскольку для эффективной работы двигателя требовалось много энергии.Цилиндр требовал нагрева и охлаждения в каждом цикле, расходуя большую часть энергии и вызывая большие потери.

Двигатели низкого давления

Высокий расход угля, который был обычным для парового двигателя Ньюкомена, был уменьшен за счет нововведений в конструкции двигателя Джеймса Ватта. Цилиндр двигателя низкого давления имел теплоизоляцию, отдельный конденсатор и механизм откачки конденсированной воды. Таким образом, двигатель низкого давления смог снизить расход топлива более чем на 50%.

Иван Ползунов и первый двухцилиндровый паровоз

Иван Ползунов был русским изобретателем, который в 1766 году построил первый в своей стране паровой двигатель и первый в мире двухцилиндровый двигатель. Двухцилиндровый паровой двигатель Ползунова был мощнее английских атмосферных двигателей. Он имел номинальную мощность 32 л.с. Ползунов умер за три дня до того, как машина была закончена, но она была запущена, приводя в действие воздушный насос для сталелитейного завода. Он проработал три месяца, прежде чем был заменен более традиционной технологией.Модель Ползунова двухцилиндрового парового двигателя сейчас экспонируется в Барнаульском музее.

• Иван Ползунов: В статье рассказывается о том, как русский ученый построил двухцилиндровую паровую машину.

Усовершенствованный паровой двигатель Джеймса Ватта

Наконец, именно Джеймс Ватт произвел революцию в паровой машине, применив отдельный конденсатор в первоначальной конструкции. Он придумал отдельный конденсатор в 1765 году. Его конструкция воплотилась в успешной паровой машине только 11 лет спустя.Конденсатор позволял цилиндру и поршню оставаться горячими, а не поочередно нагреваться и охлаждаться, как в двигателе Ньюкомена, что значительно увеличивало его эффективность. Была решена одна проблема — расточка необходимых цилиндров большого диаметра. Джон Уилкинсон сделал буровой инструмент, который опирался на оба конца, а не на консоль, что позволяло растачивать точные цилиндры диаметром до 50 дюймов. Это привело к лучшему прилеганию поршня к стенкам цилиндра.Технология достигла большого прогресса. Ватт лицензировал свой двигатель в зависимости от количества сэкономленного топлива. Дальнейшие улучшения включали обшивку цилиндра и разработку параллельного рычага, который позволял поршню толкать и тянуть. Это приведет к вращательному движению и замене водяных колес в качестве источника промышленной энергии. Ватт рассматривал пар высокого давления, но не принимал его во внимание, полагая, что котлы того времени не способны выдерживать такое давление. Ватт также разработал метод измерения давления vs.объема в цилиндре, что приводит к хорошо известной диаграмме p-v , которая используется и сегодня.

Двигатели высокого давления

Но кто изобрел паровой двигатель высокого давления? В 1801 году Ричард Тревитик изобрел двигатель с паром, поддерживаемым высоким давлением. Он использовался для питания локомотива. Они оказались более мощными по сравнению со всеми двигателями, изобретенными ранее, но не получили немедленного признания. Сам Ватт выразил обеспокоенность опасностью пара высокого давления.В конечном итоге успехом стала конструкция двигателя, представленная Оливером Эвансом. Он использовал концепцию пара для питания двигателя, а не конденсации пара и создания вакуума. Эванс придумал первый паровой двигатель высокого давления без конденсации в 1805 году. Двигатель был стационарным и был способен производить 5 л.с., что примерно в 25 раз меньше ближайшего двигателя низкого давления, производившего 12 л.с. Этот двигатель был впервые использован для работы пилы по мрамору. Двигатель высокого давления был снабжен котлом с медным кожухом, обшитым деревом и усиленным железными кольцами.

Со временем эти паровые машины использовались на моторных лодках и железных дорогах в 1802 и 1829 годах соответственно. Почти полвека спустя были изобретены первые паровые автомобили. Чарльз А. Парсонс изобрел первую паровую турбину в 1880 году. К 20 веку паровая машина широко использовалась на промышленных предприятиях, локомотивах и кораблях. Некоторые из них будут использоваться для двигателей, пока Генри Форд не изменит этот путь.

Паровоз Корнуолла

Ричард Тревитик попытался обновить насосный двигатель, созданный Уаттом, и внес значительные изменения, чтобы обойти патент, в частности, использование пара более высокого давления. Он был изменен, чтобы приспособиться к котлам Корнуолла, разработанным Тревитиком. Впоследствии эффективность паровых двигателей Корнуолла была улучшена Уильямом Симсом, Артуром Вульфом и Сэмюэлем Гроузом. Обновленные паровые двигатели Корнуолла имели изолированные цилиндры, трубы и котлы для повышения эффективности. Вульф также понял, что пар можно лучше использовать путем компаундирования — пропуска его через несколько цилиндров увеличивающегося объема — идея, которая привела к созданию двигателей двойного и тройного расширения.

• Ричард Тревитик: Вот биография этого промышленного гения, полная интересных фактов о Ричарде Тревитике.

Эпоха пара

Паровые двигатели будут обеспечивать стационарную и транспортную энергию более века, пока волна не обратилась в сторону паровых турбин и двигателей внутреннего сгорания. К 1890-м годам паровой двигатель тройного расширения стал основным двигателем на суше и на море. В течение пятидесяти лет эта конструкция постоянно улучшалась: давление увеличивалось до 250 фунтов на квадратный дюйм, был введен перегрев, тройное расширение превратилось в четырехкратное расширение и т. д. в цилиндр на горячих концах и выпускается в более холодном центре, уменьшая относительный нагрев и охлаждение стенок цилиндра.

Многие из классических форм машиностроения были разработаны в эпоху паровых машин, включая цилиндры, шатуны, коленчатые валы, маховики и регуляторы. Линия Ватта, в которой центральное звено движется по почти линейному пути, была описана изобретателем в его патентной заявке 1784 года. Звено позволяло поршням как толкать, так и тянуть, что было лучше цепных соединений более ранних атмосферных двигателей, которые могли только тянуть. Ссылка все еще используется в подвеске некоторых автомобилей.

Многие возразят, что паровая машина сделала больше для области термодинамики, чем термодинамика сделала для паровой машины. Развитие многих принципов в девятнадцатом веке было направлено на определение характеристик этих первых двигателей. Таблицы и диаграммы пара, в которых количественно определены зависимости температуры-энтропии, энтальпии-энтропии и давления-объема, во многом помогли понять тепловые характеристики электростанций. Французский инженер Сэди Карно осознал, что эффективность идеализированного двигателя не зависит от рабочей жидкости и зависит только от температуры, при которой тепло подводится к горячему источнику и сбрасывается в холодный сток.Это заложило основу для термодинамической теории, которая должна была быть разработана в середине века. Инженеры узнают его имя из цикла Карно. В начале двадцатого века безопасность котлов высокого давления была повышена с принятием Кодекса по котлам и сосудам высокого давления.

К концу Второй мировой войны паровые машины, известные как «Up and Downers», все еще приводили в движение многие торговые суда, двигавшиеся со скоростью 10–12 узлов через океаны. Но растущий спрос на ускорение транзита привел к появлению в мире паровых турбин мореплавателей, которые, в конечном итоге, будут вытеснены дизелями.Стационарные электростанции будут гораздо дольше полагаться на пар; сегодня более 80% электроэнергии, доступной в США, производится с помощью паровых турбин.

Сводка

В этой статье представлена ​​краткая история паровых машин. Для получения дополнительной информации о сопутствующих продуктах обратитесь к другим нашим руководствам или посетите платформу Thomas Supplier Discovery Platform, чтобы найти потенциальные источники поставок или просмотреть подробную информацию о конкретных продуктах.

Другие популярные темы на ThomasNet.com включают штамповку глубокой вытяжки, литье пластмасс, компании лазерной резки, цеха по изготовлению металлических фабрик, цеха прядения металла, цеха штамповки металла, резиновые детали пресс-форм и пластмассовые пресс-формы на заказ.

Прочие изделия из двигателей

Больше от Custom Manufacturing & Изготовления

.