Паровые механизмы: Самые интересные паровые машины всех времен — Селектор — Motor

Паровые машины, турбины и вспомогательные механизмы промысловых судов

Артикул: 00160666

в желания В наличии

Автор: Деменков В.Ф.

Место издания: Москва

Год: 1982

Формат: 60х90/16

Переплет: Мягкая обложка

Страниц: 264

Вес: 237 г

С этим товаром покупают

Изложены обобщенные материалы по устройству, принципу действия, эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту судовых паровых машин, турбин и вспомогательных механизмов, наиболее распространенных на судах флота рыбной промышленности.
Уделено внимание вопросам безопасного обслуживания судовых паровых машин, турбин и вспомогательных механизмов, а также ведения судоремонтных работ.
Для подготовки машинистов судовых котельных установок в технических училищах и мореходных школах Минрыбхоза СССР, а также может быть использована при профессиональном обучении рабочих на производстве.

Оглавление
Введение
Глава I. Судовые паровые поршневые машины

1. Принцип действия и устройство паровой машины
1.1. Основные узлы
1.2. Золотниковые и клапанные машины
1.3. Классификация паровых машин .
1.4. Теоретический цикл паровой машины и паросиловой установки
2. Неподвижные части паровой машины
2.1. Цилиндры, цилиндровые блоки
2.2. Рабочие втулки
2.3. Крышки и днища
2.4. Уплотнительные набивочные коробки
2.5. Фундаментные рамы и станины
2.6. Параллели
2.7. Рамовые подшипники
2.8. Арматура, цилиндров
2.9. Изоляция паровой машины
3. Подвижные части паровой машины
3.1. Кривошипно-шатунный механизм
3.2. Поршни рабочего цилиндра
3.3. Поршневые кольца
3.4. Шток поршня
3.5. Поперечины и ползуны
3.6. Шатун
3.7. Коленчатый вал
4. Механизмы парораспределения
4.1. Назначение, составные части
4.2. Парораспределение простым золотником
4.3. Парораспределение золотником с перекрышем
4.4. Конструкция золотников
4.5. Клапанное парораспределение
4.6. Преимущества и недостатки золотникового и клапанного парораспределения
5. Парораспределительные приводы и реверсивные устройства
5.1. Общие требования к приводам
5.2. Нереверсивный эксцентриковый привод для вспомогательных механизмов
5.3. Одноэксцентриковый реверсивный привод
5.4. Двухэксцентриковый реверсивный привод
5.5. Бескулисный реверсивный привод с поворотным эксцентриком
5.6. Реверсивные устройства
6. Валоповоротное устройство и валопровод
7. Системы, устройства и механизмы, обслуживающие паровые машины
7. 1. Система смазки паровых машин
7.2. Система охлаждения
7.3. Система очистки отработавшего пара
7.4. Конденсационные установки
7.5. Машинопитательные насосы
7.6. Фильтры питательной воды
8. Техническая эксплуатация паровых машин
8.1. Организация технической эксплуатации паровых машин
8.2. Подготовка паровой машины к работе
8.3. Прогрев паровой машины
8.4. Пробные обороты
8.5. Пуск машины в ход
8.6. Обслуживание паровой машины во время работы
8.7. Регулирование хода машины
8.8. Контроль за работой трущихся поверхностей
8.9. Уход за конденсаторами
8.10. Останов паровой машины
8.11. Консервация паровой машины
8.12. Техника безопасности при обслуживании паровых машин
9. Общие требования Регистра СССР к главным паровым машинам
Глава II. Судовые паровые турбины
10. Принцип действия паровых турбин
10.1. Паровая турбина как тепловой двигатель
10.2. Принцип работы активной ступени турбины
10. 3. Принцип работы реактивной ступени турбины
10.4. Активные турбины со ступенями давления
10.5. Активные турбины со ступенями скорости
10.6. Комбинированные активные турбины
10.7. Многоступенчатые реактивные турбины
10.8. Активно-реактивные турбины
10.9. Классификация судовых паровых турбин
11. Конструкция паровых турбин
11.1. Принципиальная схема паросиловой установки
11.2. Турбины с электрическими передачами
1.1.3. Вспомогательные турбины
12. Детали паровых турбин
12.1. Корпус турбины
12.2. Сопловые коробки
12.3. Сопла первых ступеней
12.4. Диафрагмы и промежуточные сопла
12.5. Рабочие и направляющие лопатки
12.6. Роторы и диски
12.7. Уплотнения турбин
12-8. Опорные подшипники
12.9. Маслоотбойные и пароотражательные устройства
12.10. Упорные подшипники
12.11. Регулирование мощности паровой турбины
12.12. Автоматическое регулирование и автоматическая защита паровых турбин
13. Передача мощности гребному валу
13.1. Типы передачи
13.2. Зубчатая передача
13.3. Электрическая передача
13.4. Соединительные муфты
14. Комбинированные паросиловые установки
14.1. Турбопоршневая установка с турбиной отработавшего пара
14.2. Турбоэлектрическая комбинированная установка
15. Смазка паротурбинных установок
16. Масла для паротурбинных установок .
17. Изоляция паротурбинных установок .
18. Техническая эксплуатация паровых турбин и техника безопасности
18.1. Подготовка турбинной установки к действию
18.2. Пуск в ход турбинной установки
18.3. Уход за турбинной установкой во время ее работы
18.4. Маневры
18.5. Останов турбин
18.6. Поддержание турбинной установки в готовности к действию
18.7. Уход за турбинной установкой при ее бездействии
18.8. Особенности обслуживания турбин отработавшего пара
19. Требования Регистра СССР к судовым паровым турбинам
Глава III. Судовые вспомогательные механизмы
20. Назначение и классификация вспомогательных механизмов
21. Поршневые насосы
21.1. Классификация и техническая характеристика насосов
21.2. Типовые схемы насосов
21.3. Неравномерность подачи перекачиваемой жидкости
21.4. Детали насосов
21.5. Правила технической эксплуатации
21.6. Область применения
22. Ротационные насосы
22.1. Принцип действия и классификация насосов
22.2. Шестеренчатые насосы
22.3. Винтовые насосы
22.4. Роторно-пластинчатые насосы
23. Центробежные насосы
23.1. Классификация насосов
23.2. Принцип действия насосов
23.3. Одноступенчатый, многоступенчатый и комбинированный насосы
23.4. Действительный напор и производительность насосов
23.5. Правила технической эксплуатации
23.6. Область применения
24. Вихревые насосы
25. Осевые насосы
26. Струйные насосы
26.1. Принцип действия насосов
26.2. Классификация насосов, область их применения
26.3. Устройство и техническая характеристика насосов
26. 4. Правила технической эксплуатации
27. Судовые опреснительные установки
27.1. Назначение и классификация опреснительных установок
27.2. Опреснительные установки с испарителями избыточного давления
27.3. Опреснительные установки с вакуумными испарителями кипящего типа
27.4. Опреснительные установки с адиабатными вакуумными испарителями
27.5. Требования к опресненной воде
27.6. Приготовление питьевой воды из опресненной
27.7. Правила технической эксплуатации
28. Сепараторы льяльных вод
28.1. Требования к качеству очищаемых вод
28.2. Отстойный сепаратор СТВ-10
29. Палубные механизмы
29.1. Брашпиль
29.2. Швартовый шпиль
29.3. Грузовые лебедки
29.4. Правила технической эксплуатации палубных механизмов
30. Требования Регистра СССР к судовым вспомогательным механизмам
31. Техника безопасности при обслуживании вспомогательных механизмов
Глава IV. Ремонт судовых вспомогательных механизмов
32. Организация ремонта на судне
33. Разборка, дефектация и ремонт насосов
33.1. Поршневые насосы
33.2. Центробежные насосы
34. Разборка, дефектация и ремонт палубных механизмов
34.1. Разборка и дефектация
34.2. Ремонт
34.3. Сборка и монтаж после ремонта
35. Техника безопасности при производстве ремонта на судне
35.1. Общие положения
35.2. Организация рабочего места
35.3. Работа ручным инструментом
35.4. Работа электропневмоинструментом
35.5. Работа в море
35.6. Грузоподъемные работы
Приложение. Характерные неисправности судовых паровых турбин и способы их устранения
Список рекомендуемой литературы

Парораспределение судовых паровых машин — MirMarine

Назначение парораспределительного механизма и его составные части

Парораспределительный механизм предназначен для обеспечения впуска свежего пара в цилиндры и выпуска из них отработавшего пара для изменения мощности и реверсирования машин, т. е. изменения направления вращения коленчатого вала. Экономичность паровой машины и плавность ее хода полностью зависят от правильности установки и регулировки парораспределительного механизма.

Парораспределительный механизм паровой машины состоит из внутреннего и внешнего органов. Внутренним органом является золотник или клапан, регулирующий впуск и выпуск пара по полостям цилиндров. Внешним органом парораспределительного механизма является привод, который связан с коленчатым валом и обеспечивает согласование положения золотника или клапана с положением поршня.

В судовых паровых машинах наиболее распространено золотниковое парораспределение.

На рис. 53 изображена простейшая схема одноцилиндровой паровой машины с золотниковым парораспределением. Золотниковая коробка паровыми каналами сообщается с верхней и нижней полостями цилиндра. При показанном на рисунке положении золотника в верхнюю полость впускается свежий пар, а из нижней выпускается отработавший пар. Золотник приводится в движение приводом, состоящим из золотникового штока, эксцентриковой тяги, бугеля и эксцентрика.

Золотник представляет собой прямоугольную коробку. Справа вверху показан вид, на золотник со стороны внутренней полости (заштрихованная), а справа внизу — поверхность золотниковой коробки, называемая золотниковым зеркалом, по которой скользит золотник. Золотник имеет кромки, называемые внешними и внутренними парораспределительными кромками.

На рисунке слева заштрихованы верхнее и нижнее паровпускные окна золотниковой коробки. Среднее окно, соединенное с трубой отработавшего пара, называется паровыпускным окном.

Золотники

Классификация золотников производится по нескольким признакам.

По конструкции — на плоские (коробчатые) и цилиндрические с перекрышами и без перекрышей.

По способу впуска пара — с наружным или внутренним впуском, с двойным впуском и одинарным выпуском, с двойным впуском и двойным выпуском.

Конструкции золотников приведены на рис. 54 и 55.

На рис. 54 показано взаимное расположение эксцентриситетов, мотылей и золотников при внешнем и внутреннем подводах пара.

Золотник, у которого высота полей h равна высоте паровпускных окон «а», называется золотником без перекрышей или простым (нормальным) золотником.

Золотник, который в среднем положении не только закрывает паровпускные окна, но и перекрывает их своими удлиненными полями, называется золотником с перекрышами. Часть поля золотника, перекрывающая окно со стороны впуска пара, называется паровпускным перекрышем, а со стороны выпуска — паровыпускным перекрышем. Высота верхнего h_B и нижнего h_H полей золотника определяется суммированием соответствующих высот паровпускных окон а₁ и а₂, паровпускных Р_в и Р_н и паровыпускных q_B и q_H перекрышей.

Впуск пара называется внешним, если свежий пар поступает в цилиндр из золотниковой коробки, проходя мимо внешней кромки золотника.

Впуск пара называется внутренним, если свежий пар поступает в, цилиндр через внутреннюю полость золотника мимо внутренней кромки его.

В современных судовых паровых машинах применяются цилиндрические и плоские золотники. Последние используются преимущественно для цилиндра низкого давления в машинах многократного расширения и иногда для цилиндра среднего давления, если давление в золотниковой коробке ЦСД не превосходит 6—8 кГ/см². Для ЦВД и ЦСД машин трехкратного расширения чаще всего применяют простые цилиндрические (рис. 55, а) или с дополнительным каналом для впуска пара (рис. 55,6) золотники; для ЦНД, а иногда и для ЦСД— плоские с кромками (рис. 55, в и г) или пятипролетные коробчатые (рис. 56, д).

Главное преимущество цилиндрических золотников перед плоскими — полная уравновешенность их от прижимающего действий пара, а недостаток — большое вредное пространство.

Золотники с дополнительным каналом (рис. 55,6) обеспечивают двойной впуск и простой выпуск пара. Дополнительные паровпускные каналы в паровпускных перекрышах позволяют уменьшить мятие пара при впуске и сократить ход золотника за счет уменьшения эксцентриситета на 15—20%.

Золотники с крышкой — это уравновешенные золотники с двойным впуском и двойным выпуском пара.

В зависимости от конструкции и паровпускной кромки (внешней или внутренней) они могут иметь внешний (см. рис. 55, в) или внутренний (см. рис. 55, г) подвод пара.

Пятипролетный коробчатый золотник (см. рис. 56,д) обеспечивает двойной впуск и двойной выпуск пара за счет дополнительных сквозных поперечных каналов.

При парораспределении золотниками с двойным впуском и двойным выпуском пара значительно уменьшается мятие пара, а эксцентриситет выполняется в два раза меньшим, чем для простого золотника.

Плоские и цилиндрические золотники изготовляют из высококачественного серого чугуна тех же марок, из которых изготовлены золотниковые втулки или зеркало золотника (СЧ24-44, СЧ28-48).

Парораспределительные приводы

Схема двухэксцентрикового привода с кулисой секторного типа, применяемого в главных и вспомогательных паровых машинах, приведена на рис. 56, а. Установленные рядом два эксцентрика служат один для переднего, другой для заднего хода. Эксцентрик представляет круглый чугунный (или стальной) диск, эксцентрично и жестко насаженный на коленчатый вал, который служит своего рода мотылем.

Угол между направлениями мотыля и эксцентриситета называется углом установки эксцентриситета. Величина угла установки зависит от способа подвода пара и конструкции золотника. Эксцентрики охватываются бугелями, которые соединены с нижними концами эксцентриковых тяг. Верхние концы тяг соединены с сектором кулисы при помощи подшипников. По сектору кулисы скользит ползун золотникового штока, называемый кулисным камнем.

Реверсирование машины обеспечивается подводом того или иного конца кулисы к головке золотникового штока (кулисному камню). Сектор кулисы перемещается с помощью тяги путем поворота переводного вала и жестко сидящего на нем мотыля.

Поворот переводного вала у машин малой мощности осуществляется обычно вручную посредством штурвала или рычага. У машин большой мощности поворот вала осуществляется специальной переводной паровой машиной.

При среднем положении кулисы, т. е. когда кулисный камень будет находиться на ее середине, на золотник будут действовать одновременно оба эксцентрика. В этом случае парораспределение будет расстроено и машина не сможет вращаться, что соответствует положению «стоп».

Кроме рассмотренного двухэксцентрикового кулисного привода, у некоторых машин применяются одноэксцентриковые и безэксцентриковые золотниковые приводы. Основное преимущество их состоит в том, что золотниковые коробки с золотниками могут располагаться сбоку цилиндров. Этим сокращается общая длина машины.

Наибольшее распространение получил одноэксцентриковый привод с подвесной тягой (рис. 56,б).

Изменение направления вращения коленчатого вала производится путем перемены положения подвесной тяги переводным мотылем вручную штурвалом или переводной машиной.

Парораспределение простым золотником и золотником с перекрышами

Парораспределение простым золотником

При нахождении мотыля в верхней мертвой точке, как показано на рис. 57, а, при внешнем подводе свежего пара ни впуска, ни выпуска пара из полостей цилиндра не должно происходить, так как золотник находится в среднем положении. Для выполнения этого условия угол между радиусом мотыля и эксцентриситетом составляет 90° и эксцентрик движется впереди мотыля.

При движении золотника вниз открываются паровые окна. Пар поступает в верхнюю полость цилиндра и выходит из нижней. Поршень движется вниз. Когда поршень займет среднее положение, золотник придет в крайнее нижнее положение и откроет полностью паровые окна. Мотыль ОА и эксцентриситет Оа эксцентрика займут положение, указанное на рис. 57, б.

При дальнейшем движении поршня вниз золотник пойдет вверх и займет среднее положение при крайнем нижнем положении поршня. Впуск и выпуск пара в цилиндр прекратятся.

Двигаясь вверх, золотник опять откроет окна. Теперь пар начнет поступать в нижнюю полость цилиндра и выходить из верхней. Поршень будет двигаться вверх.

Чередованием описанных процессов обеспечивается работа паровой машины.

Аналогично будет работать машина и при внутреннем впуске пара. В этом случае угол установки эксцентрика составляет также 90°, но он (эксцентрик) будет следовать за мотылем.

В рассматриваемом случае впуск свежего пара в цилиндр происходит в течение всего хода поршня от в.м.т. к н.м.т. полным давлением без расширения. В результате экономичность машины низкая, вращение вала происходит рывками (неравномерно) и переход поршня через мертвые точки затруднителен. Поэтому простые золотники применяются лишь в некоторых вспомогательных сдвоенных паровых машинах (рулевых, валоповоротных, лебедках и т. д.).

Парораспределение золотником с перекрышами

Все главные паровые машины, а также ответственные вспомогательные механизмы снабжаются золотниками с перекрышами, благодаря чему машины работают плавно и более экономично.

При золотнике с перекрышами впуск свежего пара в цилиндр происходит не на протяжении всего хода поршня, а лишь на определенной части его, после чего поршень движется под действием давления расширяющегося пара в цилиндре. В дальнейшем производится предварение выпуска, т. е. выпуск пара из работающей полости начинается еще до прихода поршня в крайнее положение.

Кроме того, при подходе поршня к крайнему положению прекращается выпуск отработавшего пара из другой полости (отсечка выпуска), благодаря чему оставшийся пар сжимается поршнем. При этом создается упругая паровая подушка, которая смягчает переход мотыля через мертвую точку.

Перед приходом поршня в крайнее положение золотник открывает впуск свежего пара навстречу поршню (предварение впуска), вследствие чего поршень плавно переходит через крайнее положение и сразу движется в обратном направлении.

Таким образом, при перемещении поршня из верхнего крайнего положения в нижнее происходят следующие процессы в цилиндре: предварение впуска и впуск пара, расширение пара, предварение выпуска, выпуск и сжатие пара.

Если поршень находится в одном из крайних положений, то для впуска пара в соответствующую полость золотник с перекрышами не должен стоять в среднем положении. Он должен быть сдвинут так, чтобы его внешняя кромка совпадала с кромкой паровпускного окна. Обычно для получения предварения впуска золотник устанавливается так, чтобы при крайнем положении поршня паровпускное окно в соответствующую полость было уже открыто на некоторую величину, называемую линейным опережением (V_в — верхним и V_н— нижним). Эксцентрик при этом имеет угол установки больший 90° на величину угла опережения «b». При внутреннем подводе пара угол установки эксцентрика меньше 90° на величину «b».

На рис. 57, II показаны основные моменты парораспределения золотником с перекрышами, положения поршня, мотыля и эксцентрика за один ход поршня от в. м.т. к н.м.т.

Назначение перекрышей и угла опережения

От правильной установки золотников и угла опережения в значительной мере зависят мощность машины, ее экономичность и легкость маневрирования. Изменение перекрышей и угла опережения оказывают большое влияние на парораспределение и его моменты.

Паровпускные перекрыши служат для впуска и отсечки впуска пара, а паровыпускные — для выпуска и отсечки выпуска, т. е. для сжатия. Паровпускные перекрыши всегда больше паровыпускных. У цилиндров с большим предварением выпуска и малой степенью сжатия поля золотника со стороны выпуска могут не иметь перекрышей, т. е. q = 0 или даже иметь отрицательные паровыпускные перекрыши.

При увеличении паровпускного перекрыша Р (см. рис. 54) предварение впуска наступит позже, а отсечка впуска раньше.

Величина паровыпускных перекрышей не оказывает никакого влияния на впуск пара. Но при увеличении паровыпускного перекрыша предварение выпуска наступит позже, а сжатие пара раньше.

При уменьшении перекрышей произойдут обратные изменения в парораспределении.

Наконец, продолжительность периода расширения зависит от величины как паровпускных, так и паровыпускных перекрышей, при этом увеличение паровпускного перекрыша увеличивает, а уменьшение паровыпускного перекрыша сокращает продолжительность расширения пара в цилиндре.

Изменение угла опережения «b» влечет изменение всех моментов парораспределения. При его увеличении все моменты парораспределения наступят раньше, причем степень впуска пара уменьшится, а степень предварения впуска, предварения выпуска, сжатия пара и линейное опережение увеличатся.

При уменьшении угла опережения «b» будут иметь место обратные изменения в парораспределении.

Это наблюдается при неверной установке эксцентрика на валу во время сборки машины или при изменении мощности паровых машин с бескулисными приводами и поворотными эксцентриками.

Похожие статьи

Паровые Механизмы включения — Энциклопедия по машиностроению XXL

Конструкция механизма включения вспомогательной паровой машины показана на фиг. 78. Шестерня 1, откованная за одно целое с кривошипным валом паровой машины, находится в постоянном зацеплении с промежуточной шестерней 2, сидящей в вилке 3,  [c.347]
Система блокировки служит для отключения масляной ванны от сервомотора во время срабатывания дроссельного парового клапана, что делается с целью повышения надежности. На случай отказа автоматики предусмотрено ручное включение исполнительных механизмов. Надежность также обеспечивается тем, что система управления питается током от специальной батареи (конструкция парового дроссельного клапана описана в гл. 2).  [c.32]

Вращение от двух одноцилиндровых паровых машин 2 передается главному валу 17, на котором закреплена цилиндрическая шестерня 4. Эта шестерня передает вращение на шестерню 1 вала барабанов грузового и грейферного, а через промежуточную шестерню 5, свободно вращающуюся на оси, шестерне 6 вала 10. На главном валу расположен реверсивный механизм, состоящий из трех конических шестерен 18 и двух спаренных фрикционных дисковых муфт 3, при помощи которых производят включение и отключение правой и левой шестерен реверса. Третья шестерня реверса сидит на вертикальном валу 20 механизма передвижения. Этот вал имеет на противоположном конце шестерню 22, находящуюся в зацеплении с шестерней 24 горизонтального вала механизма передвижения, на котором сидит цилиндрическая шестерня 25.  [c.143]

На паровозах серий Т и вспомогательная паровая машина системы Бетлехем размещена на передней тележке тендера [3, 9, 24]. Общее устройство аналогично описанному выше для паровоза Е» . Механизм включения дан на фиг. 81. При вращении кривошипного вала У вспомогательная шестерёнка 2 поворачивает вспомогательный вал 3. который благодаря наличию дисков 4, шарнирного механизма 6, кулачков и прочих деталей переводит вспомогательную шестерёнку на вра-  [c. 348]

Регулирующее устройство. Регулирующее устройство можно разделить на следующие составные части распределительные органы рабочего тела (клапаны), командующий орган, называемый регулятором, и передаточный механизм, соединяющий регулятор с паро-распределительными органами, для перемещения которых обычно требуется такая значительная мощность, какую не в состоянии развивать регулятор. Для осуществления этих перемещений применяют исполнительные механизмы — сервомоторы, включаемые в передаточный механизм между регулятором и клапанами. Сервомоторы получают энергию от вала машины или от постороннего источника, вследствие чего мощность их может быть очень большой. Автоматическое управление машиной без помощи сервомоторов косит название прямого регулирования (фиг, 66, а при включении в передаточный механизм сервомоторов — непрямого регулирования (фиг. 67 и 68). Прямое регулирование применяется только для паровых турбин очень малых размеров.  [c.173]

На холостом ходу турбина еще раз внимательно осматривается и прослушивается и проверяются все показатели режима ее работы. Воздействуя на механизм управления, прикрывают регулирующие клапаны так, чтобы передать на них управление впуском пара. Это удобно для синхронизации и нагружения турбины. Главные паровые задвижки после включения генератора открываются полностью. С появлением давления перед регулирующими клапанами следует открыть задвижку на линии отсоса пара от штоков этих клапанов в деаэратор, предварительно продренировав эту линию. Подъем давления перед регулирующими клапанами нужно производить постепенно, чтобы скорость прогрева металла  [c.145]

Трансмиссия. В то время как более старые паровые автомобили строились без всякой перемены передач, современные машины почти без исключения снабжены коробками скоростей. В большинстве случаев имеются две или три скорости, а в некоторых случаях четыре и шесть скоростей. Коробка скоростей в соединении с высоким крутящим моментом машины дает возможность автомобилю преодолевать тяжелые подъекы и передвигаться без толчков по рыхлой почве. Другое преимущество коробки скоростей состоит в том, что машпна может работать на холостом ходу, что не было бы возможно иначе вследствие отсутствия особого механизма сцепления. Перемена передач во время движения автомобиля из-за отсутствия сцепления невозможна.. Включение скорости производится или перестановкой зубчатых колес  [c.326]

---

Механизмы влияния примесей галогенводородов на генерационные характеристики лазера на парах меди

Please use this identifier to cite or link to this item: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/5799

Title:	Механизмы влияния примесей галогенводородов на генерационные характеристики лазера на парах меди
Authors:	Жданеев, Олег Валерьевич Евтушенко, Геннадий Сергеевич
Keywords:	примеси; галогенводороды; лазеры на парах меди; лазеры; молекулы; генерационные характеристики; кинетика; добавки; электроотрицательные газы
Issue Date:	2003
Publisher:	Томский политехнический университет
Citation:	Жданеев О. В. Механизмы влияния примесей галогенводородов на генерационные характеристики лазера на парах меди / О. В. Жданеев, Г. С. Евтушенко // Известия Томского политехнического университета [Известия ТПУ]. — 2003. — Т. 306, № 2. — [С. 45-48].
Abstract:	Проведена систематизация и обобщение имеющихся на данных момент сведений о механизмах влияния примесей галогенводородов (HBr, HCl) на кинетику активной среды лазера на парах меди (ЛПМ). Проводится анализ имеющихся отличий влияния молекул HCl и HBr на генерационные характеристики лазера на парах меди. Сделан вывод о том, что кинетика лазеров на парах меди с добавками электроотрицательных газов изучена недостаточно и существует необходимость проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований данного типа лазеров.
URI:	http://earchive.tpu.ru/handle/11683/5799
Appears in Collections:	Известия ТПУ

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.

Единственные в мире паровой самолет Airspeed 2000 | Невероятные Механизмы

Нет, немного не так – единственный в мире полетевший самолет с паровым двигателем. Вполне естественно, что при наличии парового двигателя и успешных испытаний конструкции братьев Райт, было создано множество проектов летательных аппаратов, совмещающих эти два изобретения. У всех была одна общая беда – они не летали.

Так продолжалось до 1933 года, когда братья Джордж и Уильям Беслер после трех лет разработок и созидания (и с использованием «для базы» конструкции биплана Travel Air 2000) не представили на свет свое творение – паролет Airspeed 2000. Братьям помогал Натан Прайс, специалист по паровым машинам, занимавшийся в проекте проблемой снижения общей массы парового агрегата.

И вот, 12 апреля, при большом скоплении журналистов всевозможных изданий и даже представителями кинохроники, Уильям совершил на паровом самолете пробный полет. Паролет смог оторваться от земли, пролететь и совершить посадку. И многие отмечали, что полет происходил практически в полной тишине – журналисты и собравшаяся публика слышала все, что говорил им из кабины Беслер.

Разумеется, такое событие получило широчайшую огласку. Сеятый кинеофильм о полете демонстрировался в кинотеатрах, интервью с конструкторами были на первых страницах газет. Паровой самолет получил работу в почтовом отделении!

Паровой двигатель применялся двухцилиндровый V-образный. Масса его с котлом составляла 300 кг (80 – паровая машина, остальное – котел и бак для воды), а мощность 150 л.с. Паролет мог пролетать до 600 км на одной заправке-загрузке топливом и водой. При этом он в некоторых аспектах выигрывал у самолетов с ДВС: нетребовательность к топливу, нечувствительность двигателя к высоте, отсутствию необходимости смазки, простота ремонта и эксплуатации…

Были и недостатки. Невысокий КПД, в потенциале – меньшая дальность полета, необходимость применение для фюзеляжа легких материалов. Все же ДВС выиграли и эту «войну». Даже военные, которым очень нравилась бесшумность полета паролета отказались от этой конструкции. Эксплуатировавшийся Почтовым ведомством США экземпляр Airspeed 2000 после 1936 года пропал без следов.

Если вам понравился материал, пожалуйста, ставьте лайки и подписывайтесь на канал. Это не сложно и бесплатно, но очень важно для развития «НМ». Спасибо, что вы с нами!

Паровые моторы. Конструкция и механизм действия паровой машины. Преимущества паровых машин

Паровой двигатель

Сложность изготовления: ★★★★☆

Время изготовления: Один день

Подручные материалы: ████████░░ 80%

В этой статье я расскажу вам о том, как сделать паровой двигатель своими руками. Двигатель будет небольшой, однопоршневой с золотником. Мощности вполне хватит, чтобы вращать ротор небольшого генератора и использовать этот двигатель в качестве автономного источника электричества в походах.

• Телескопическая антенна (можно снять со старого телевизора или радиоприёмника), диаметр самой толстой трубки должен составлять не менее 8 мм
• Маленькая трубка для поршневой пары (магазин сантехники).
• Медная проволока с диаметром около 1,5 мм (можно найти в катушке трансформатора или радиомагазине).
• Болты, гайки, шурупы
• Свинец (в рыболовном магазине или найти в старом автомобильном аккумуляторе). Он нужен, чтобы отлить маховик в форме. Я нашёл готовый маховик, но вам этот пункт может пригодиться.
• Деревянные бруски.
• Спицы для велосипедных колёс
• Подставка (в моём случае из листа текстолита толщиной 5 мм, но подойдёт и фанера).
• Деревянные бруски (куски досок)
• Банка из под оливок
• Трубка

• Суперклей, холодная сварка, эпоксидная смола (стройрынок).
• Наждак
• Дрель
• Паяльник
• Ножовка

Как сделать паровой двигатель

Схема двигателя

Цилиндр и золотниковая трубка.

Отрезаем от антенны 3 куска:
? Первый кусок 38 мм длиной и 8 мм диаметром (сам цилиндр).
? Второй кусок длиной 30 мм и 4 мм диаметром.
? Третий длиной 6 мм и 4 мм диаметром.

Возьмём трубку №2 и сделаем в ней отверстие диаметром 4 мм посередине. Возьмем трубку №3 и приклеим перпендикулярно трубке №2, после высыхания суперклея, замажем все холодной сваркой (например POXIPOL).

Крепим круглую железную шайбу с отверстием посредине к куску №3 (диаметр — чуть больше трубки №1), после высыхания укрепляем холодной сваркой.


Дополнительно покрываем все швы эпоксидной смолой для лучшей герметичности.

Как сделать поршень с шатуном

Берём болт (1) диаметром 7 мм и зажимаем его в тисках. Начинаем наматывать на него медную проволоку (2) примерно на 6 витков. Каждый виток промазываем суперклеем. Лишние концы болта спиливаем.

Проволоку покрываем эпоксидкой. После высыхания, подгоняем поршень шкуркой под цилиндр так, чтобы он свободно там двигался, не пропуская воздух.

Из листа алюминия делаем полоску длиной 4 мм и длиной 19 мм. Придаём ей форму буквы П (3).

Сверлим на обоих концах отверстия (4) 2 мм диаметром, чтобы можно было засунуть кусочек спицы. Стороны П-образной детали должны быть 7х5х7 мм. Клеим её к поршню стороной, которая 5 мм.

Шатун (5) делаем из велосипедной спицы. К обоим концам спицы приклеиваем на два маленьких кусочка трубок (6) от антенны диаметром и длиной по 3 мм. Расстояние между центрами шатуна составляет 50 мм. Далее шатун одним концом вставляем в П-образную деталь и шарнирно фиксируем спицей.


Спицу с двух концов подклеиваем, чтобы не выпала.

Шатун треугольника

Шатун треугольника делается похожим способом, только с одной стороны будет кусок спицы, а с другой трубка. Длина шатуна 75 мм.


Треугольник и золотник


Из листа металла вырезаем треугольник 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 размеров вашего маховика.

Кривошип поршневой тяги должен быть 8 мм, а кривошип золотника — 4 мм.


• Паровой котёл

  
  Паровым котлом будет служить банка из под оливок с запаянной крышкой. Также я впаял гайку, чтобы через неё можно было заливать воду и герметично закручивать болтом. Также припаял трубку к крышке.
  Вот фото:

  Фото двигателя в сборе

  Собираем двигатель на деревянной платформе, размещая каждый элемент на подпорке

  Видео работы парового двигателя

  
  
  

• Версия 2.0

  
  Косметическая доработка двигателя. Бак теперь имеет свою собственную деревянную площадку и блюдце для таблетки сухого горючего. Все детали покрашены в красивые цвета. Кстати в качестве источника тепла лучше всего использовать самодельную

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.

15 ряд ли кто-то сомневается, что одной из главных движущих сил прогресса являются человеческая лень и стремление к комфорту. Это подтверждается бесчисленными сказками, где транспорт передвигается «по щучьему велению», а у счастливчиков имеются волшебные помощники, избавляющие хозяина от необходимости сделать хоть какое-то физическое усилие. Но поскольку в реальности «само» ничего не делается, на протяжении всей истории человечества лучшие умы корпели над изобретениями, которые помогли бы воплотить эти мечты в жизнь.

Если говорить на языке физики и техники, нужно было изобрести устройство, которое смогло бы преобразовать тот или иной вид энергии в полезную механическую работу. С древнейших времен главным и основным источником энергии была мускульная сила человека и животных, а все имеющиеся технические приспособления в лучшем случае помогали использовать ее более рационально и продуктивно. Позднее люди научились применять силу ветра и воды, текущей или падающей с высоты, заставив их работать в ветряных и водяных двигателях . Однако мощность таких двигателей была невелика, и надо было осваивать более перспективные виды энергии тепловую, химическую и электрическую.

Первое известное тепловое устройство, работавшее за счет силы пара, было построено греческим ученым Архимедом в III в. до н. э. Это была пушка, один конец которой нагревали, а затем заливали туда воду. Мгновенно нагреваясь, вода превращалась в пар, который, расширяясь, выталкивал из жерла ядро. Спустя два столетия другой греческий ученый Герон Александрийский создал и описал еще одну тепловую машину полый железный шар, способный вращаться вокруг горизонтальной оси. Из закрытого котла с кипящей водой пар по трубке поступал в шар, откуда выходил наружу через изогнутые сопла, при этом шар приходил во вращение.

Пароход «Мэйфлауэр» на реке Миссисипи. 1855 г.

Полтора тысячелетия «геронов шар» был всего лишь забавной игрушкой, и только в XVI в. ученые задумались о возможности практического применения тепловой энергии. Знаменитый изобретатель Леонардо да Винчи был первым, кто предположил, что пар может выполнять полезную работу. Об этом свидетельствуют рисунки в его рукописях, изображающие цилиндр и поршень. Да Винчи утверждал, что если под поршень в цилиндр поместить воду, а сам цилиндр нагреть, то образующийся водяной пар будет расширяться, что заставит его искать выход и перемещать поршень вверх. Параллельно арабский инженер Таги аль Дин разработал проект устройства, в котором пар, направляемый на закрепленные по ободу колеса лопасти, вращал вертел. В XVII в. похожую машину построил итальянский изобретатель Джованни Бранка. Приводимое в движение паром анкерное устройство поочередно поднимало и опускало пару пестов в ступах, в результате чего можно было дробить зерно. Однако в этих прообразах паровых турбин поток пара был слишком рассеянным, в результате чего происходила значительная потеря энергии.

До конца XVII в. создаваемые паровые машины были скорее единичными техническими диковинками, поскольку экономических предпосылок для их массового использования еще не было. В 1б70-х годах французский изобретатель Дени Папен и голландский физик Христиан Гюйгенс работали над машиной, в которой поршень поднимался за счет расширения газов при взрыве пороха. В 1680 г. Папен создал вариант двигателя, в котором вместо пороха использовалась вода. Ее наливали в цилиндр под поршень, а сам цилиндр разогревали снизу, при этом образующийся пар поднимал поршень. Затем цилиндр охлаждали, и находящийся в нем пар конденсировался, снова превращаясь в воду.

Паровой двигатель Д. Папена.

Поршень, как и в случае порохового двигателя, под действием своего веса и атмосферного давления опускался. Папен также считается изобретателем парового котла, поскольку именно он понял, что для автоматизации цикла пар должен подаваться в цилиндр извне (поэтому паровой двигатель считается двигателем внешнего сгорания: топливо, разогревающее воду сжигается вне рабочего цилиндра).

Первым паровым двигателем, который был не без успеха использован на производстве, стала сконструированная в 1698 г. английским военным инженером Томасом Севери «пожарная установка». Это устройство, самим изобретателем названное «друг рудокопа», представляло собой паровой насос, который использовался для вращения колес водяной мельницы и для откачки воды из шахт. Машина была не слишком эффективной из-за больших потерь тепла во время охлаждения контейнера и достаточно опасной в эксплуатации, поскольку из-за высокого давления пара трубопроводы и емкости двигателя нередко взрывались.

В 1712 г. английский кузнец Томас Ньюкомен продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором рабочее давление пара удалось значительно снизить, следовательно, двигатель стал более безопасным. Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень.

Сколько лошадей?

Понятие лошадиной силы как единицы мощности паровой машины ввел Дж. Уатт. Но первым термин стал применять Т. Севери еще в 1698 г. При этом подход у них был разный. Севери оценивал мощность своего насоса, исходя из того, что для его работы в сутки потребуется 10 меняющихся по мере усталости лошадей. Уатт же учитывал только работающих на данный момент пару запряженных лошадей. В итоге получалось, что мощность почти одинаковых паровых машин Севери оценивал в 10 «лошадок», а Уатт только в две.

Откачка воды из угольной шахты при помощи паровой машины Т. Ньюкомена. Иллюстрация из The Universal Magazine. 1747 г.

К. Ф. фон Бреда. Потрет Джеймса Уатта. 1792 г.

При впрыскивании в цилиндр холодной воды пар конденсировался, образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом, поднимал шток насоса. Именно машина Ньюкомена явилась первым паровым двигателем, с которым принято связывать начало промышленной революции в Англии. Она оказалась настолько удачной, что использовалась в Европе более 50 лет. Тем не менее в конструкцию вносились некоторые важные изменения. В частности, в 1718 г. англичанин Генри Бейтон изобрел распределительный механизм, который автоматически включал или отключал пар и впускал воду. Он же дополнил паровой котел предохранительным клапаном.

Проект первой в мире паровой машины, способной непосредственно приводить в действие любые рабочие механизмы, предложил в 1763 г. русский изобретатель Иван Иванович Ползунов, механик на Колывано-Воскресенских горнорудных заводах Алтая. Его машина представляла собой двухцилиндровый вакуумный агрегат с поршнями, соединенными цепью, перекинутой через шкив. Все действия в нем совершались автоматически. Вместо опытного образца заводское начальство потребовало сразу построить большую машину для мощной воздуходувки. Двигатель строили почти два года, и до запуска изобретатель не дожил. Машина успешно прошла испытания и была запущена в эксплуатацию. Уже через три месяца она не только оправдала затраты, но и дала прибыль. Однако через некоторое время котел дал течь, и по непонятным соображениям чинить машину не стали.

Примерно в это же время в Англии над созданием паровой машины работал шотландец Джеймс Уатт. Он занимался усовершенствованием двигателя Ньюкомена. Было ясно, что основной недостаток машины Ньюкомена состоял в попеременном нагревании и охлаждении цилиндра. Уатт предположил, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если до конденсации отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. Более того, цилиндр может оставаться горячим, а конденсатор холодным, если снаружи их покрыть теплоизоляционным материалом. В 1768 г. он получил на свое изобретение патент, но построить машину смог только в 1776 г. Она оказалась вдвое эффективнее машины Ньюкомена.

Паровая машина Ползунова.

И. И. Ползунов.

В 1782 г. появилась созданная Уаттом первая универсальная паровая машина двойного действия. Ее крышка была оснащена сальником, который обеспечивал поршню свободное движение штока и в то же время предотвращал утечку пара из цилиндра. Пар поступал в цилиндр с двух сторон поршня попеременно, таким образом, поршень совершал с помощью пара и рабочий, и обратный ход, чего не было в прежних машинах. Уатт получил на свою «ротативную паровую машину» патент, и она начала широко применяться для приведения в действие станков и машин сначала на прядильных и ткацких фабриках, а затем и на других промышленных предприятиях.

Паровоз «Пыхтящий Билли».

Макет паровой машины Дж. Уатта.

Помимо промышленности паровые машины прочно заняли место в сельском хозяйстве и на транспорте. Еще в 1850 г. английский изобретатель Уильям Говард использовал для пахоты локомобиль компактный передвижной паровой двигатель. В 1879 г. крестьянин Федор Блинов из Саратовской губернии построил и запатентовал первый в мире гусеничный трактор, приводимый в действие паровой машиной мощностью 20 л. с.

Первый образец автомобиля с паровым двигателем в 1769 г. испытал французский изобретатель Николя Жозе Кюньо, его творение получило известность как «малая паровая телега Кюньо». Год спустя публике представили уже «большую паровую телегу Кюньо». В 1788 г. в США было организовано пароходное сообщение по реке Делавер между городами Филадельфия и Берлингтон. Сконструированный Джоном Фитчем пароход мог принять на борт 30 пассажиров и везти их со скоростью 7-8 миль в час. А в 1804 г. Ричард Тревитик продемонстрировал первый самоходный железнодорожный локомотив на паровой тяге, построенный на металлургическом заводе Пенидаррен в Мер-тир-Тидвиле (Южный Уэльс).

Несмотря на все усилия инженеров, довольно низкий КПД паровых двигателей повысить так и не удалось, и уже к концу XIX в. с полной отдачей послужившие техническому прогрессу машины начали постепенно сдавать свои позиции. На автомобильном транспорте они уступили место двигателям внутреннего сгорания, на железной дороге и в промышленности электродвигателям. Однако в теплоэнергетике и на отдельных видах транспорта паровые машины (в особенности паровые турбины) по-прежнему используются достаточно широко.

Паровая турбина сталелитейного завода.

Интерес к водяному пару, как доступному источнику энергии, появился вместе с первыми научными познаниями древних. Приручить эту энергию люди пытались на протяжении трёх тысячелетий. Каковы основные этапы этого пути? Чьи размышления и проекты научили человечество извлекать из него максимальную пользу?

Предпосылки появления паровых двигателей

Потребность в механизмах, способных облегчить трудоёмкие процессы, существовала всегда. Примерно до середины XVIII века для этой цели использовались ветряные мельницы и водяные колеса. Возможность использования энергии ветра напрямую зависит от капризов погоды. А для использования водяных колёс фабрики приходилось строить по берегам рек, что не всегда удобно и целесообразно. Да и эффективность тех и других была чрезвычайно мала. Нужен был принципиально новый двигатель, легко управляемый и лишённый этих недостатков.

История изобретения и совершенствования паровых двигателей

Создание парового двигателя — результат долгих размышлений, удач и крушений надежд множества учёных.

Начало пути

Первые, единичные проекты были лишь интересными диковинками. Например, Архимед сконструировал паровую пушку, Герон Александрийский использовал энергию пара для открывания дверей античных храмов. А заметки о практическом применении энергии пара для приведения в действие иных механизмов исследователи находят в трудах Леонардо да Винчи.

Рассмотрим наиболее значительные проекты по этой тематике.

В XVI веке арабский инженер Таги аль Дин разработал проект примитивной паровой турбины. Однако практического применения она не получила из-за сильного рассеяния струи пара, подаваемой на лопасти колеса турбины.

Перенесемся в средневековую Францию. Физик и талантливый изобретатель Дени Папен после многих неудачных проектов останавливается на следующей конструкции: вертикальный цилиндр заполняли водой, над которой устанавливали поршень.

Цилиндр нагревали, вода закипала и испарялась. Расширяющийся пар приподнимал поршень. Его закрепляли в верхней точке подъёма и ожидали остывания цилиндра и конденсации пара. После конденсации пара в цилиндре образовывался вакуум. Освобожденный от крепления поршень под действием атмосферного давления устремлялся в вакуум. Именно это падение поршня предполагалось использовать как рабочий ход.

Итак, полезный ход поршня был вызван образованием вакуума из-за конденсации пара и внешним (атмосферным) давлением.

Потому паровой двигатель Папена как и большинство последующих проектов получили название пароатмосферных машин.

Эта конструкция обладала весьма существенным недостатком — не была предусмотрена повторяемость цикла. Дени приходит к идее получать пар не в цилиндре, а отдельно в паровом котле.

В историю создания паровых двигателей Дени Папен вошел как изобретатель весьма важной детали — парового котла.

А поскольку пар стали получать вне цилиндра, сам двигатель перешел в разряд двигателей внешнего сгорания. Но из-за отсутствия распределительного механизма, обеспечивающего бесперебойную работу, эти проекты почти не нашли практического применения.

Новый этап в разработке паровых двигателей

Около 50 лет для откачки воды в угольных шахтах использовался паровой насос Томаса Ньюкомена. Он во многом повторял предыдущие конструкции, но содержал весьма важные новинки — трубу для вывода сконденсированного пара и предохранительный клапан для выпуска излишнего пара.

Его существенным минусом было то, что цилиндр приходилось то нагревать перед впрыскиванием пара, то охлаждать перед его конденсацией. Но потребность в таких двигателях была столь высока, что, несмотря на их очевидную неэкономичность, последние экземпляры этих машин прослужили вплоть до 1930 года.

В 1765 году английский механик Джеймс Уатт, занявшись усовершенствованием машины Ньюкомена, отделил конденсатор от парового цилиндра.

Появилась возможность цилиндр держать постоянно нагретым. КПД машины сразу вырос. В последующие годы Уатт значительно усовершенствует свою модель, оснастив её устройством для подачи пара то с одной, то с другой стороны.

Стало возможным использовать эту машину не только как насос, но и для приведения в действие различных станков. Уатт получил патент на свое изобретение — паровой двигатель непрерывного действия. Начинается массовый выпуск этих машин.

К началу XIX века в Англии работало более 320 паровых машин Уатта. Их стали закупать и другие европейские страны. Это способствовало значительному росту промышленного производства во многих отраслях как самой Англии, так соседних государств.

Двадцатью годами ранее Уатта, в России над проектом паровой машины работал алтайский механик Иван Иванович Ползунов.

Заводское начальство предложило ему построить агрегат, который приводил бы в действие воздуходувку плавильной печи.

Построенная им машина была двухцилиндровой и обеспечивала непрерывное действие подсоединённого к ней устройства.

Успешно проработав более полутора месяцев, котёл дал течь. Самого Ползунова к этому времени уже не было в живых. Ремонтировать машину не стали. И замечательное творение русского изобретателя-одиночки было забыто.

В силу отсталости России того времени мир узнал об изобретении И. И. Ползунова с большим опозданием….

Итак, для приведения в действие паровой машины необходимо, чтобы пар, вырабатываемый паровым котлом, расширяясь, давил на поршень или на лопасти турбины. А затем их движение передавалось другим механическим частям.

Применение паровых машин на транспорте

Несмотря на то, что КПД паровых двигателей того времени не превышал 5%, к концу XVIII века их стали активно использовать в сельском хозяйстве и на транспорте:

• во Франции появляется автомобиль с паровым двигателем;
• в США начинает курсировать пароход между городами Филадельфия и Берлингтон;
• в Англии продемонстрирован железнодорожный локомотив на паровой тяге;
• российский крестьянин из Саратовской губернии запатентовал построенный им гусеничный трактор мощностью 20 л. с.;
• неоднократно предпринимались попытки построить самолёт с паровым двигателем, но, к сожалению, малая мощность этих агрегатов при большом весе самолёта делала эти попытки неудачными.

Уже к концу XIX столетия паровые двигатели, сыграв свою роль в техническом прогрессе общества, уступают место и электродвигателям.

Паровые устройства в XXI веке

С появлением новых источников энергии в XX и XXI веке снова появляется потребность в использовании энергии пара. Паровые турбины становятся неотъемлемой частью АЭС. Пар, приводящий их в действие, получают за счёт ядерного топлива.

Широко используются эти турбины и на конденсационных тепловых электростанциях.

В ряде стран проводятся эксперименты по получению пара за счёт солнечной энергии.

Не забыты и поршневые паровые двигатели. В горных местностях в качестве локомотива до сих пор используют паровозы.

Эти надёжные труженики и безопаснее, и дешевле. Линии электропередач им не нужны, а топливо — древесина и дешёвые сорта угля всегда под рукой.

Современные технологии позволяют улавливать до 95% выбросов в атмосферу и повысить КПД до 21%, так, что люди решили пока с ними не расставаться и работают над паровыми локомотивами нового поколения.

Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя

212 лет паровому автомобилю! 7 мифов о паровой тяге

Ровно 212 лет назад, 24 декабря 1801 года, в небольшом английском городе Камборне механик Ричард Тревитик продемонстрировал общественности первый автомобиль с паровым двигателем Dog Carts. Сегодня это событие можно было бы смело отнести в разряд хоть и примечательных, но несущественных, тем более что паровой двигатель был известен и ранее, и даже применялся на транспортных средствах (хотя назвать их автомобилями было бы очень большой натяжкой)… Но вот что интересно: именно сейчас технический прогресс породил ситуацию, поразительно напоминающую эпоху великой «битвы» пара и бензина в начале XIX века. Только бороться предстоит аккумуляторам, водороду и биотопливу. Хотите узнать, чем все закончится и кто победит? Не буду подсказывать. Намекну: технологии ни при чем…

1. Увлечение паровыми двигателями прошло, и наступило время двигателей внутреннего сгорания. Для пользы дела повторю: в 1801 году по улицам Камборна покатился четырёхколёсный экипаж, способный с относительным комфортом и небыстро перевозить восемь пассажиров. Автомобиль приводился в движение одноцилиндровым паровым двигателем, а топливом служил уголь. Созданием паровых транспортных средств занялись с энтузиазмом, и уже в 20-х годах XIX века пассажирские паровые омнибусы перевозили пассажиров со скоростью до 30 км/час, а средний межремонтный пробег достиг 2,5–3 тыс. км.

Теперь сопоставим эти сведения с другими. В том же 1801 году француз Филипп Лебон получил патент на конструкцию поршневого двигателя внутреннего сгорания, работавшего на светильном газе. Случилось так, что через три года Лебон погиб, и развивать предложенные им технические решения пришлось другим. Лишь в 1860 году бельгийский инженер Жан Этьен Ленуар собрал газовый двигатель с зажиганием от электрической искры и довёл его конструкцию до степени пригодности к установке на транспортное средство.

Итак, автомобильные паровой двигатель и двигатель внутреннего сгорания — практически ровесники. КПД паровой машины той конструкции и в те годы составлял около 10%. КПД двигателя Ленуара был всего 4%. Только через 22 года, к 1882-му, Август Отто усовершенствовал его настолько, что КПД теперь уже бензинового двигателя достиг… аж 15%.

2. Паровая тяга — всего лишь краткий миг в истории прогресса. Начавшись в 1801 году, история парового транспорта активно продолжалась без малого 159 лет. В 1960-м (!) в США всё ещё строились автобусы и грузовики с паровыми двигателями. Паровые машины за это время усовершенствовались весьма значительно. В 1900 году в США 50% парка автомобилей были «на пару». Уже в те годы возникла конкуренция между паровыми, бензиновыми и — внимание! — электрическими экипажами. После рыночного успеха «Модели-Т» Форда и, казалось бы, поражения парового двигателя новый всплеск популярности паровых авто пришёлся на 20-е годы прошлого столетия: стоимость топлива для них (мазут, керосин) была значительно ниже стоимости бензина.

Фирма Stanley производила до 1927-го примерно 1 тыс. паровых автомобилей в год. В Англии паровые грузовики успешно конкурировали с бензиновыми до 1933 года и проиграли лишь по причине введения властями налога на тяжёлый грузовой транспорт и снижения тарифов на импорт жидких нефтепродуктов из США.

3. Паровая машина неэффективна и неэкономична. Да, когда-то это было именно так. «Классический» паровой двигатель, который выпускал отработанный пар в атмосферу, имеет КПД не более 8%. Однако паровой двигатель с конденсатором и профилированной проточной частью имеет КПД до 25–30%. Паровая турбина обеспечивает 30–42%. Парогазовые установки, где используются «в связке» газовые и паровые турбины, имеют КПД до 55–65%. Последнее обстоятельство подвигло инженеров компании BMW начать проработки вариантов использования этой схемы в автомобилях. К слову сказать, КПД современных бензиновых двигателей составляет 34%.

Стоимость изготовления парового двигателя во все времена была ниже стоимости карбюраторного и дизельного моторов той же мощности. Расход жидкого топлива в новых паровых двигателях, работающих в замкнутом цикле на перегретом (сухом) пару и оснащённых современными системами смазки, качественными подшипниками и электронными системами регулирования рабочего цикла, составляет всего 40% от прежнего.

4. Паровой двигатель медленно запускается. И это было когда-то… Даже серийные автомобили фирмы Stanley «разводили пары» от 10 до 20 минут. Усовершенствование конструкции котла и внедрение каскадного режима нагрева позволило сократить время готовности до 40–60 секунд.

5. Паровой автомобиль слишком нетороплив. Это не так. Рекорд скорости 1906 года — 205,44 км/час — принадлежит паровому автомобилю. В те годы автомобили на бензиновых моторах так быстро ездить не умели. В 1985-м на паровом автомобиле разъезжали со скоростью 234,33 км/час. А в 2009 году группа британских инженеров сконструировала паротурбинный «болид» с паровым приводом мощностью 360 л. с., который был способен перемещаться с рекордной средней скоростью в заезде — 241,7 км/час.

6. Паровой автомобиль дымит, он неэстетичен. Рассматривая старинные рисунки, на которых изображены первые паровые экипажи, выбрасывающие из своих труб густые клубы дыма и огня (что, кстати, свидетельствует о несовершенстве топок первых «паровиков»), понимаешь, откуда взялась стойкая ассоциация паровой машины и копоти.

Что касается внешнего вида машин, дело тут, конечно, зависит от уровня дизайнера. Вряд ли кто-то скажет, что паровые автомобили Абнера Добля (США) некрасивы. Напротив, они элегантны даже по теперешним представлениям. И ездили к тому же бесшумно, плавно и быстро — до 130 км/час.

Интересно, что современные изыскания в области водородного топлива для автомобильных моторов породили ряд «боковых ответвлений»: водород в качестве топлива для классических поршневых паровых двигателей и в особенности для паротурбинных машин обеспечивает абсолютную экологичность. «Дым» от такого мотора представляет собой… водяной пар.

7. Паровой двигатель капризен. Это неправда. Он конструктивно значительно проще двигателя внутреннего сгорания, что само по себе означает большую надёжность и неприхотливость. Ресурс паровых моторов составляет многие десятки тысяч часов непрерывной работы, что не свойственно другим типам двигателей. Однако этим дело не ограничивается. В силу принципов работы паровой двигатель не теряет эффективности при понижении атмосферного давления. Именно по этой причине транспортные средства на паровой тяге исключительно хорошо подходят для использования в высокогорье, на тяжёлых горных перевалах.

Интересно отметить и ещё одно полезное свойство парового двигателя, которым он, кстати, схож с электромотором постоянного тока. Снижение частоты вращения вала (например, при возрастании нагрузки) вызывает рост крутящего момента. В силу этого свойства автомобилям с паровыми моторами принципиально не нужны коробки передач — сами по себе весьма сложные и порой капризные механизмы.

Как работают паровые машины?

org/Person»> Криса Вудфорда. Последнее изменение: 23 сентября 2020 г.

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

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

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

Что приводит в действие паровой двигатель?

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

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

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

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

Что такое паровая машина?

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

Как работает паровая машина

Грубо говоря, паровой двигатель состоит из четырех различных частей:

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

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

Пошаговая инструкция

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

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

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

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

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

Типы паровых машин

Фото: Крупный план поршня и цилиндра паровой машины.

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

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

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

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

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

Неужели умер пар?

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

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

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

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

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

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

Кто изобрел паровой двигатель … и когда?

Вот краткая история паровой энергии:

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

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

Крупная частная коллекция паровозов продана компании Oregon Coast Scenic Railroad (обновлено)

За свою жизнь Фред Кепнер незаметно собрал коллекцию из 14 паровозов, 12 из которых хранятся в Меррилле, штат Орегон. (Мартин Э. Хансен)

---

MERRILL, Ore. — Возможно, самая большая частная коллекция паровозов, в основном из западных США, была продана и вскоре будет рассеяна после смерти ее давнего владельца.

Фред М.Коллекция Кепнера из 14 паровозов и другого железнодорожного оборудования была приобретена компанией Oregon Coast Scenic Railroad в Гарибальди. Часть коллекции будет сохранена в Oregon Coast Scenic и отправлена ​​на ее объекты в округе Тилламук, штат Орегон. Остальная часть будет продана другим соответствующим организациям по сохранению.

«Мы все очень рады возможности расширить наш список оборудования и видению будущего нашей организации», — говорит Скотт Викерт, главный механик компании Oregon Coast Scenic.«Локомотивы, которые мы привозим домой, сделают нашу коллекцию более разнообразной. Я лично очень рад, что могу помочь сохранить наследие Фреда и убедиться, что локомотивы найдут хорошие дома ».

Кепнер, 74 года, скончался в октябре 2021 года. Он всю свою жизнь коллекционировал паровозы, начиная с 1970-х годов. Двенадцать двигателей хранятся в Меррилле, штат Орегон, а другие хранятся за пределами площадки.

К моменту смерти Кепнеру в Merrill принадлежали:

— McBryde Sugar No.4, 0-6-0, колея 30 дюймов, Baldwin 1900, строительный № 17686, с пятью соответствующими платформами;

— Орегонско-американские пиломатериалы № 105, 2-6-2, стандартной ширины с тендером, Болдуин 1925, строительный № 58193;

— Орегонско-американская древесина № 104, 2-6-2T, стандартной колеи, Baldwin 1923, строительный № 56851;

— Glen Alden Corp. No. 28, 0-4-0, колея 36 дюймов, Vulcan 1918, повторно кипяченый;

— Длинный брус № 4, 2-6-2, стандартной толщины, Болдуин 1907 г., Строительный №31152;

— Oregon Pacific & Eastern No. 1, 2-6-2T, стандартная колея, Baldwin 1925, строительный номер 59206;

Орегон, Тихий океан и Восток № 1 — один из локомотивов в коллекции Кепнера. Часть подвижного состава отправится в Орегон-Кост-Сикник, а часть будет продана. (Мартин Э. Хансен)

— Sierra Railroad No. 38, 2-6-6-2, стандартная колея, Болдуин, 1934 г .;

— Great Northern No. 1246, 2-8-0, стандартная колея, Baldwin 1907, строительный номер 32297;

— Sierra Railroad No.18, 2-8-0 (тендер отсутствует), Болдуин 1906, Строительный № 29790;

— Сьерра-Рейлроуд № 36, 2-8-2, Алко 1930, строение № 68278;

— Pickering Lumber Corp. № 8, 3-х грузовой автомобиль Shay, 1924, Лима, строение № 3254;

— Charles McCormick Lumber No. 100, 2-8-2, стандартная колея, Baldwin 1925, строительный номер 59284;

— аварийный кран № 7180 южной части Тихого океана, Bucyrus 1926, строение № 4535; 160-тонная с холостой вагонно-инструментальной тележкой

Ему также принадлежали следующие объекты за пределами площадки:

— Bonhomie & Hattiesburg No.300, 2-8-2, Baldwin 1925, Construction No. 58241, в Миссисипи;

— Сьерра-Рейлроуд № 34, 2-8-2, Болдуин, 1925 г., строительство № 58679, в Джеймстауне, Калифорния;

—Weyerhaeuser Timber Co. № 101, дизельное топливо Baldwin DS4-4-750; Строительство № 74814 в Кламат-Фолс, штат Орегон, с тренером;

— Подъемный кран № 2, американский № 1305 «Logger Special», 1925 г., Джеймстаун, Калифорния.

Oregon Coast Scenic будет содержать четыре локомотива: Pickering Shay No. 8; Сьерра 2-6-6-2 No.38; и два локомотива Oregon-American Lumber, 2-6-2T № 104 и 2-6-2 № 105.

Локомотивы, которые будут перевезены в округ Тилламук, войдут в состав Мемориальной коллекции Фреда Кепнера в музейной обстановке в дополнение к существующим экскурсиям. Oregon Coast Scenic управляет McCloud No. 25 и тремя автобусами Harriman, которые ранее принадлежали Кепнеру.

Выручка от продажи локомотивов, которые не были перевезены в Oregon Coast Scenic, будут использованы для оплаты перевода локомотивов, перемещенных из Меррилла в Тилламук, примерно на 330 миль.Окончательный список того, что будет доступно, находится в разработке. Запросы о приобретении локомотивов в коллекции следует направлять главному юрисконсульту Oregon Coast Scenic Мартину Э. Хансену в Бенд, штат Орегон.

Кепнер какое-то время работал на туристической железной дороге в Нью-Джерси. После этого он время от времени подрабатывал и собирал локомотивы.

Он основал Музей Великой Западной железной дороги в надежде работать на калифорнийской железной дороге МакКлауд. Он восстановил МакКлауд Ривер 2-6-2 No.25 в рамках этого плана в 1983 году. Когда он начал работать под номером 25 на МакКлауде, он начал перемещать туда свою коллекцию, чтобы открыть действующий музей железных дорог.

В конце 1980-х смена руководства МакКлауд положила конец этому плану, и Кепнеру пришлось искать новый дом для своей коллекции. Он перевез часть коллекции в Чилокин, штат Орегон, а часть (например, Sierra No. 38) осталась на арендованном участке пути в МакКлауде.

В 1980-х и начале 1990-х Kepner добавил еще несколько локомотивов.Около 25 лет назад он арендовал недвижимость Union Pacific в Меррилле и перевез туда большую часть, но не всю коллекцию. Он остается там и сегодня.

Oregon Coast Scenic бригады потратили несколько недель на охрану территории Меррилла, чтобы защитить локомотивы. Меньшие подвижные части были удалены и надежно хранятся.

— Обновлено в 13:20 CST для исправления идентификации ОПиЭ № 1 в подписи; обновлено и отредактировано в 17:00. CST с информацией о локомотивах Oregon Coast Scenic планирует сохранить.

№ 109: Паровые двигатели высокого давления

Сегодня первый тепловоз. Университет Инженерный колледж Хьюстона представляет это сериал о машинах, которые делают наши цивилизация бежит, а люди, чья изобретательность создал их.

Дети называли старыми паровозы «чу-цу».»Чу-чу был шум, производимый паром, покидающим цилиндры вниз колесами. Если вы никогда не видели этого на самом деле жизни, вы видели это в фильмах: дирижер кричит, «Все на борт!» — вокруг идет сильный поток пара. колеса, и поезд тронется.

Все это стало результатом двух замечательных идей, которые сошлись около 1800 г., после того, как паровые машины около ста лет — идея бега паровые машины под высоким давлением и идея используя их для транспортировки.

Первая паровая машина была изготовлена ​​французскими военными. инженер Николас Кугно в 1769 году. Паровозы. тогда были огромные двухэтажные строения; так что это не удивительно, что машина Кугно была большим зверюшкой. Это несли 4 человек со скоростью около 2 миль в час. Это было предназначено для тянуть полевую артиллерию, но на самом деле это было не так практичный.

В 1784 году Уильям Мердок, который работал на Ватта, использовал двигатель Ватта для создания лучшего автомобиля — более легкого и быстрее. Проблема заключалась в том, что Ватту не нравилось идея использования паровых двигателей в транспортных средствах. Он запатентовал идею, чтобы заморозить ее.

Ватт тоже не любил пар высокого давления; и это еще одна вещь, необходимая для создания транспортное средство.Видите ли, первые паровые электростанции все зависели от конденсации пара в вакууме — они работал, всасывая поршень, больше, чем на выталкивая это. Пар низкого давления занимает много места, и это сделало двигатели большими. Когда давление было работать до 50 или 100 фунтов на квадратный дюйм, двигатели могут быть сделаны намного меньше. Ватт не хотел участвовать в этой игре, потому что пар высокого давления может быть опасным.

Усовершенствованное сверлильное и обрабатывающее оборудование завода. конец 18 века наконец сделал двигатели реалистичные. Корнуолл Ричард Тревитик и американец Оливер Эванс сделали хорошие двигатели высокого давления без конденсации около 1802 г. У них были маленькие, хорошо обработанные цилиндры и они поместятся в транспортном средстве.

Тревитик и Эванс использовали свои двигатели в паровые машины — без особого успеха. Но потом Тревитик увидел, что пар может заменить лошадей которые тянули телеги по железнодорожной системе Англии. Он был умно продать идею. Сначала он сделал успешным паровозом в 1804 году. Затем, в 1808 году, он построил небольшую демонстрацию замкнутого цикла железная дорога в Лондоне — как карнавальный аттракцион.В поезд, названный «Поймай меня, кто может», прошел 12 миль / ч

С тех пор паровые поезда стали по-настоящему популярными. В паровая машина высокого давления открыла западный Америка. Это знакомое «чу-чу» — это звук отработанный пар высокого давления. Это звук, говорящий как наконец сошлись воедино две хорошие идеи.

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

(Музыкальная тема)

Паровой двигатель | Инженерное дело | Fandom

.: В британском английском [1] термин паровой двигатель может также относиться ко всему паровозу.

Паровая машина — это тепловая машина внешнего сгорания, которая использует тепловую энергию пара, преобразуя ее в механическую работу.

Где использовался []

Паровые двигатели использовались в насосах, локомотивах, паровых кораблях и паровых тракторах и сыграли важную роль в промышленной революции [2]. Они по-прежнему используются для выработки электроэнергии с помощью паровых турбин [3].

Как это работает []

Паровой машине нужен котел для кипячения воды для производства пара под давлением. Можно использовать любой источник тепла, но наиболее распространенным является огонь, разжигаемый дровами, углем или маслом. (Тем не менее, все, что можно сжечь, можно использовать в качестве топлива для огня: бумага, мусор, отработанное масло картера, измельченные кукурузные початки, навоз, природный газ, бензин, спирт высокой прочности, сухая трава, сено, сухие сорняки и т. Д. ). Пар расширяется и наталкивается на поршень или турбину, движение которых выполняет работу по вращению колес или движению других механизмов.

Типы паровых машин []

Паровые двигатели можно классифицировать по двум основным направлениям:

• По используемой технологии. В большинстве паровых двигателей используются поршневые двигатели или турбины.

• По заявке. Паровые двигатели используются как:
  • Двигатели стационарные. Стационарные паровые машины снова делятся на два основных класса:
    • Двигатели для намотки, двигатели прокатных станов и аналогичные устройства, которые нуждаются в частой остановке и реверсе.
    • Двигатели, обеспечивающие мощность, которые редко останавливаются и не нуждаются в реверсе.К ним относятся почти все тепловые электростанции, а также они использовались на заводах, заводах и для питания кабельных железных дорог и канатных трамваев до широкого распространения электроэнергии.
  • Двигатели автомобилей:
    • Пароходы и пароходы.
    • Наземный транспорт:
      • Паровозы.
      • Паровозы.
      • Катки паровые.
      • Лопаты паровые.
      • Двигатели тяговые.
      • Паровые ракетные вагоны

Изобретение []

Aeolipile

Первый поршневой паровой двигатель, разработанный Денисом Папином в 1690 году.

Первое паровое устройство, эолипил Aeolipile, было изобретено греком героем Александрии [4] в I веке нашей эры, но использовалось только в качестве игрушки. Между прочим, 700 лет назад в Коринфе, Греция, были изобретены железнодорожные пути; однако греки никогда не думали соединить их вместе.

В 1663 году Эдвард Сомерсет, 2-й маркиз Вустер [5] опубликовал проекты и, возможно, установил паровой двигатель для откачки воды в Доме Воксхолла [6]. Дени Папен [7], французский физик, построил работающую модель паровой машины примерно в 1687 году — с помощью Лейбница [8], парохода с веслами, и ему приписывают ряд важных устройств, таких как предохранительный клапан.Сэр Сэмюэл Морланд [9] также разработал идеи для паровой машины в тот же период, он построил ряд паровых насосов для Людовика XIV в 1680-х годах. Первые промышленные паровые машины были разработаны Томасом Савери («Пожарная машина», 1698 г.) и Томасом Ньюкоменом (1712 г.). Хамфри Гейнсборо [10] создал модель конденсационной паровой машины в 1760-х годах, которую он показал Джеймсу Ватту [11]. В 1769 году Ватт запатентовал усовершенствования двигателя Ньюкомена, которые сделали его намного более экономичным, что в конечном итоге привело к всеобщему признанию и использованию энергии пара.

Использование и развитие []

Схема парового двигателя Кэмерона из словаря 1876 г.

Первые промышленные применения вакуумных двигателей были в откачке воды из глубоких шахт. Паровая машина Ньюкомена [12] работала путем впуска пара в рабочую камеру, закрытия клапана и затем впуска струи холодной воды. Водяной пар конденсируется в гораздо меньший объем воды, создавая в камере вакуум. Атмосферное давление, действующее на стороне, противоположной поршню, толкает поршень ко дну камеры.В насосах шахтного вала поршень был соединен с рабочим штоком, который опускал вал в камеру насоса. Колебания рабочего штока передаются поршню насоса, который перемещает воду через обратные клапаны к верхней части вала.

Первым значительным усовершенствованием 60 лет спустя стало создание отдельной камеры конденсации с клапаном между рабочей камерой и камерой конденсации. Это усовершенствование было изобретено Джеймсом Ваттом [13] в Глазго-Грин, Шотландия, а затем разработано им в Бирмингеме, Англия, для создания парового двигателя Ватта [14] со значительно повышенным КПД.Следующим усовершенствованием стала замена клапанов с ручным управлением на клапаны, управляемые самим двигателем.

В 1802 году Уильям Симингтон построил «первый практичный пароход», а в 1807 году Роберт Фултон использовал паровой двигатель Ватта для привода первого коммерчески успешного парохода.

Такие ранние вакуумные или конденсационные двигатели сильно ограничены по своей эффективности, но они относительно безопасны, так как пар находится под очень низким давлением, и структурное повреждение двигателя будет происходить из-за внутреннего коллапса, а не взрыва наружу.Их мощность ограничена давлением окружающего воздуха, смещением рабочей камеры, скоростью сгорания и испарения, а также емкостью конденсатора. Максимальная теоретическая эффективность ограничена относительно низкой температурой кипения воды при давлении, близком к атмосферному (100 ° C, 212 ° F).

Следующее значительное улучшение эффективности произошло с использованием Ричардом Тревитиком [15] сжатого пара, который использовал гораздо большее давление, но, что более важно (с термодинамической точки зрения), работал при более высоком перепаде температур.Но с этим дополнительным давлением возникла большая опасность и множество бедствий из-за взрыва котлов и оборудования. Самым важным усовершенствованием на этом этапе был предохранительный клапан, сбрасывающий избыточное давление. Надежная и безопасная эксплуатация возможна только при наличии большого опыта и кодификации процедур строительства, эксплуатации и технического обслуживания.

Котлы []

Котлы от Scientific American Supplement, Vol. XIX, No. 470, 3 января, экспонируются в Национальном музее науки и промышленности (The Science Museum) в Лондоне.Котлы бывают двух основных типов:

• Огнеупорная труба конструкция типична для ранних морских установок для лодок и кораблей, а также для котлов паровозов. В жаротрубном котле горячие газы из топки (камеры сгорания) проходят через трубы, соединяющие перфорированные торцевые пластины. Затем газы поступают в дымовую коробку или дымовую трубу и проходят в дымовую трубу. Котел может быть вертикальным или горизонтальным. В качестве примера вертикального котла этого типа рассмотрим котел в небольшом речном судне, который использовался в фильме «Африканская королева».Этот тип также используется в некоторых котлах, которые вырабатывают пар для отопления здания паром, а также в паровых лопатках. Локомотивы и ранние корабли использовали горизонтальную ориентацию, а ранние корабли обычно требовали высокой дымовой трубы для обеспечения осадки, не имея вентилятора для обеспечения принудительной тяги. В паровозе тяга обычно увеличивается при запуске за счет направления выхлопного пара через дымовую трубу, которая создает частичный вакуум.

• В водотрубном котле вода нагревается в нескольких трубах, контактирующих с горячими газами. Трубки присоединены к камере паросборника вверху. Существенным преимуществом этого типа является меньшая вероятность катастрофического отказа, поскольку в котле мало воды и отсутствуют крупные механические элементы, которые могут выйти из строя. Над коллектором в верхней части отвода горячего газа могут быть дополнительные трубы — это устройство, называемое перегревателем, обеспечивает дополнительную температуру (при неизменном давлении) и увеличивает тепловой КПД всего механизма.Пароперегреватели также использовались в некоторых более поздних версиях паровоза.

Есть и более редкие варианты, например барабанный котел, используемый в некоторых паровозах.

Есть еще одно разделение между котлами: с естественной аспирацией, а это почти все из них, и котлы с наддувом, или котлы, работающие под давлением. Эта технология, эквивалентная наддуву для двигателя внутреннего сгорания, была разработана немцами и приобретена ВМС США для использования на некоторых фрегатах, построенных после Второй мировой войны. В нем используется вентилятор для увеличения скорости горения; котел должен быть сконструирован так, чтобы отдавать дополнительное тепло воде. Двигатель, использующий этот тип котла, имеет самое большое ускорение с места для любой морской силовой установки.

Двигатели

[]

Паровые двигатели высокого давления бывают различных типов, но большинство из них являются поршневыми или турбинными.

Поршневой []

двустороннего действия []

После разработки технологии подачи пара под давлением, следующим крупным достижением стало использование поршней двустороннего действия, при которых пар под давлением поступает поочередно с каждой стороны, в то время как другая сторона выбрасывается в атмосферу или в конденсатор.В настоящее время в большинстве поршневых двигателей используется эта технология. Мощность снимается скользящей штангой, защищенной от выхода пара. Этот стержень, в свою очередь, приводит в движение (через подшипник скольжения крейцкопфа) шатун, соединенный с кривошипом, для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение. Дополнительный кривошип или эксцентрик используется для приведения в действие шестерни клапана, обычно через реверсивный механизм, чтобы обеспечить реверсирование вращательного движения.

Когда используется пара поршней двойного действия, их фаза кривошипа смещена на угол 90 градусов; это называется четвертовать .Это гарантирует, что двигатель всегда будет работать, независимо от того, в каком положении находится кривошип.

На некоторых паромах использовался только один поршень двустороннего действия, приводящий в движение гребные колеса с каждой стороны за счет соединения с верхним коромыслом. При остановке такого двигателя было важно, чтобы поршень находился вдали от крайних пределов своего хода, чтобы его можно было легко запустить снова.

Множественное расширение []

Анимация упрощенного движка тройного расширения.Пар высокого давления (красный) поступает из котла и проходит через двигатель, выходя в виде пара низкого давления (синий) в конденсатор.

В другом типе используется несколько (обычно три) цилиндра одностороннего действия с постепенно увеличивающимся диаметром и ходом (и, следовательно, объемом).

Пар высокого давления из котла используется для приведения в движение поршня первого и наименьшего диаметра вниз. Во время хода вверх частично расширенный пар направляется во второй цилиндр, который начинает ход вниз.Этим достигается дальнейшее расширение выхлопа относительно высокого давления из первой камеры. Точно так же промежуточная камера выходит в последнюю камеру, которая, в свою очередь, выходит в конденсатор.

На изображении справа показана модель такого двигателя. Пар проходит через двигатель слева направо. Клапанная коробка для каждого из первых двух цилиндров находится слева от соответствующего цилиндра, а для третьего — справа.

Одна модификация двигателя тройного расширения заключается в использовании двух меньших поршней, которые в сумме равны площади третьего поршня, для его замены. Это приводит к более сбалансированному узлу из четырех поршней, расположенных V-образно.

Разработка этого типа двигателя была важна для его использования на пароходах, поскольку конденсатор, забирая небольшую часть энергии, превращал пар обратно в воду для его повторного использования в котле. Наземные паровые машины могли выпускать большую часть своего пара и заправляться из башни пресной воды, но в море это было невозможно. До и во время Второй мировой войны [16] расширительный двигатель преобладал в морских приложениях, где высокая скорость судна не была существенной.Однако на смену ей пришла паровая турбина там, где требовалась скорость, например, на военных кораблях и океанских лайнерах. HMS Dreadnought (1906) 1905 года был первым крупным военным кораблем, который заменил проверенную технологию поршневого двигателя новой паровой турбиной.

Многократное расширение также может привести к большей эффективности, поскольку пар расходует больше энергии, приводя поршни, прежде чем покинуть двигатель. В некоторых паровозах использовалось двойное расширение. Чаще всего использовались два комплекта ведущих колес.Набор цилиндров высокого давления приводил в движение один комплект, а цилиндры низкого давления — другой комплект. Более редкое устройство было названо тандемным соединением, в котором цилиндры высокого и низкого давления были соосны и имели общий шток поршня.

Остальные паровозы были простыми или одинарными. У большинства составных паровозов был «упрощающий клапан», который подавал пар высокого давления во все цилиндры, чтобы помочь запустить поезд.

Uniflow []

Другой тип поршневой паровой машины — модель «прямоточная» .При этом клапаны (которые действуют аналогично тем, которые используются в двигателях внутреннего сгорания) приводятся в действие кулачками. Впускные клапаны открываются для впуска пара, когда минимальный объем расширения достигается в верхней части хода. На период цикла кривошипа впускается пар, а затем вход тарельчатого клапана закрывается, что позволяет продолжать расширение пара во время хода вниз. Ближе к нижней части хода поршень откроет выпускные отверстия сбоку цилиндрической камеры. Эти порты соединены коллектором и трубопроводом с конденсатором, что снижает давление в камере до уровня ниже атмосферного.Продолжительное вращение кривошипа перемещает поршень вверх. Двигатели этого типа всегда имеют несколько цилиндров, расположенных рядно, и могут быть одностороннего или двустороннего действия. Особым преимуществом этого типа является то, что клапаны могут работать под действием нескольких распределительных валов, и, изменяя относительную фазу этих распределительных валов, количество впускаемого пара может быть увеличено для высокого крутящего момента на низкой скорости и может быть уменьшено на крейсерском режиме. скорость для экономии работы, и, изменяя абсолютную фазу, можно изменить направление вращения двигателя.Однопоточная конструкция также поддерживает постоянный градиент температуры через цилиндр, избегая прохождения горячего и холодного пара через один и тот же конец цилиндра. (Концепция однопоточного двигателя также используется в двухтактных дизельных двигателях с наддувом, используемых для судовых, локомотивных и стационарных применений. Такие дизели не нуждаются в функции экономайзера и используют более простой скользящий распределительный вал для реверсирования.)

Тип турбины []

В паровых турбинах для приложений большой мощности используется ряд вращающихся дисков с лопастями, похожими на пропеллер, на их внешнем крае.Эти движущиеся диски «ротор», чередуются с неподвижными лопатками «статора» , прикрепленными к корпусу турбины, которые служат для перенаправления потока пара на следующую ступень. Из-за высокой скорости работы такие турбины обычно соединяются с редуктором для приведения в действие другого механизма, такого как гребной винт корабля. Паровые турбины более долговечны и требуют меньшего обслуживания, чем поршневые двигатели. Они также создают более плавное вращательное усилие на своем выходном валу, что способствует снижению требований к техническому обслуживанию и меньшему износу оборудования, которое они приводят в действие.

В основном паровые турбины используются на электростанциях, где их высокая скорость работы является преимуществом, а их относительный размер не является недостатком. Они также используются в морских приложениях, приводя в действие большие корабли и подводные лодки. Практически все атомные электростанции вырабатывают электроэнергию, нагревая воду и приводя в действие паровые турбины. Было изготовлено ограниченное количество паровозов по турбинной технологии. Несмотря на то, что они имели некоторый успех при грузовых перевозках на дальние расстояния в Швеции и других странах, паровые турбины просуществовали недолго в железнодорожном мире и были быстро заменены тепловозами.

Поворотный тип []

Теоретически можно было бы использовать механизм, основанный на бес поршневом роторном двигателе, таком как двигатель Ванкеля, вместо цилиндров и клапанного механизма обычного поршневого парового двигателя. Отсутствие контроля за отсечкой — серьезная проблема с такими конструкциями, и ни одна из них не была продемонстрирована на практике.

Тип форсунки []

Изобретенный австралийским инженером Аланом Бернсом и разработанный в Великобритании инженерами Pursuit Dynamics, этот подводный реактивный двигатель использует пар под высоким давлением, чтобы всасывать воду через впускное отверстие спереди и выводить ее на высокой скорости через заднюю часть.Когда пар конденсируется в воде, создается ударная волна, которая фокусируется камерой, чтобы вывести воду из спины. Чтобы повысить эффективность двигателя, двигатель втягивает воздух через вентиляционное отверстие перед паровой струей, что создает пузырьки воздуха и изменяет способ смешивания пара с водой.

В отличие от обычного парового двигателя, здесь нет движущихся частей, которые могут изнашиваться, а выхлопная вода во время испытаний лишь на несколько градусов теплее. Двигатель также может служить насосом и смесителем.

Компания Pursuit Dynamics называет этот тип системы «технологией PDX».

Тип ракеты []

Aeolipile представляет собой использование пара в ракетно-реактивной технике, но не для прямого движения.

В наше время пар в ракетной технике используется ограниченно, особенно в ракетных машинах. Концепция проста: просто заполните сосуд под давлением горячей водой под высоким давлением и откройте клапан, ведущий к подходящей насадке. Падение давления немедленно приводит к закипанию части воды, и пар выходит через сопло, создавая значительную движущую силу.

Можно ожидать, что вода в сосуде высокого давления должна иметь критическое давление; но на практике сосуд высокого давления имеет значительную массу, что снижает ускорение транспортного средства. Поэтому используется гораздо более низкое давление, что позволяет использовать более легкий сосуд высокого давления, что, в свою очередь, дает самую высокую конечную скорость.

Есть даже предположительные планы межпланетного использования. Хотя паровые ракеты относительно неэффективны в использовании топлива, это вполне может не иметь значения, поскольку солнечная система, как полагают, имеет чрезвычайно большие запасы водяного льда, который можно использовать в качестве топлива. Для извлечения этой воды и использования ее в межпланетных ракетах требуется на несколько порядков меньше оборудования, чем для ее расщепления на водород и кислород для обычной ракетной техники [17].

Паровые транспортные средства []

Николя-Жозеф Кюньо [18] продемонстрировал в 1769 году первую работающую самоходную паровую машину, свою «фардье» (паровоз). Возможно, это был первый автомобиль. Хотя самоходный паровой трактор в целом не имел успеха в качестве транспортного средства, он оказался очень полезным в качестве автономного мобильного источника энергии для привода другой сельскохозяйственной техники, такой как молотилки для зерна или пресс-подборщики сена.

Автомобили с паровым двигателем продолжали конкурировать с другими двигательными системами в первые десятилетия 20-го века. Однако паровые двигатели менее предпочтительны для автомобилей, которые обычно приводятся в действие двигателями внутреннего сгорания, потому что пару требуется не менее тридцати секунд (в паровом котле) или около того, чтобы создать давление.

21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Pen-y-Darren в Уэльсе был продемонстрирован первый самоходный железнодорожный паровоз или паровоз, построенный Ричардом Тревитиком.

Преимущества []

Сила паровой машины для современных целей заключается в ее способности преобразовывать тепло практически любого источника в механическую работу. В отличие от двигателя внутреннего сгорания, паровой двигатель не требует особого внимания к источнику тепла. В частности, без использования парового двигателя ядерную энергию нельзя было бы использовать для полезной работы, поскольку ядерный реактор не генерирует напрямую ни механическую работу, ни электрическую энергию — сам реактор просто нагревает воду.Это паровой двигатель, который преобразует тепловую энергию в полезную работу. Пар также может производиться без сжигания топлива через солнечные концентраторы. Демонстрационная электростанция была построена с использованием центральной коллекторной башни и большого количества солнечных зеркал (так называемых гелиостатов) [19].

Подобные преимущества обнаруживаются в другом типе двигателя внешнего сгорания, двигателе Стирлинга, который обеспечивает эффективную мощность в компактном двигателе, но который трудно эксплуатировать в широком диапазоне рабочих условий, трудности, которые легко решаются современными специалистами. гибридный автомобиль.

Паровозы особенно выгодны на больших высотах, так как на них не особенно негативно влияет более низкое атмосферное давление. Это было случайно обнаружено, когда паровые двигатели, работавшие на больших высотах в горах Южной Америки, были заменены дизель-электрическими двигателями эквивалентной мощности на уровне моря. Их быстро заменили гораздо более мощные локомотивы, способные производить достаточную мощность на большой высоте.

В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и Австрии (Schafberg Bahn) новые реечные паровозы оказались очень успешными.Они были разработаны на основе дизайна 1930-х годов Швейцарского локомотивно-механического завода (SLM), но со всеми возможными современными улучшениями, такими как роликовые подшипники, теплоизоляция, сжигание дизельного топлива, улучшенная внутренняя обтекаемость, управление одним человеком и так далее. Это привело к снижению расхода топлива на одного пассажира на 60 процентов и значительному снижению затрат на техническое обслуживание и погрузочно-разгрузочные работы. Экономика сейчас такая же или лучше, чем у большинства современных дизельных или электрических систем. Кроме того, паровой поезд с аналогичной скоростью и мощностью на 50 процентов легче, чем электрический или дизельный поезд, поэтому, особенно на зубчатых железных дорогах, значительно сокращается износ пути.Кроме того, был спроектирован и построен новый паровой двигатель для гребного парохода на Женевском озере «Монтрё», ставший первым в мире корабельным паровым двигателем с электронным дистанционным управлением. Паровая группа SLM в 2000 году создала полностью принадлежащую ей компанию DLM для разработки современных паровых двигателей и паровозов.

КПД []

Чтобы получить КПД двигателя, разделите количество джоулей механической работы, производимой двигателем, на количество джоулей энергии, потребляемой двигателем при сжигании топлива. Как правило, остальная энергия выбрасывается в окружающую среду в виде тепла. Никакой двигатель на чистом тепле не может быть более эффективным, чем цикл Карно, в котором тепло перемещается из резервуара с высокой температурой в резервуар с низкой температурой, а эффективность зависит от разницы температур. Следовательно, паровые двигатели в идеале должны работать при максимально возможной температуре пара и выделять отходящее тепло при минимально возможной температуре.

На практике паровой двигатель, выбрасывающий пар в атмосферу, будет иметь КПД (включая котел) 5%, но с добавлением конденсатора КПД значительно повышается до 25% или выше.Электростанция с подогревом выхлопных газов и т. Д. Будет иметь КПД 30%. Комбинированный цикл, в котором горящий материал сначала используется для привода газовой турбины, может обеспечить КПД 60%. Также возможно улавливать отходящее тепло с помощью когенерации, в которой остаточный пар используется для отопления. Таким образом, можно использовать около 90% энергии, производимой при сжигании топлива — только 10% энергии, производимой при сгорании топлива, уходит в атмосферу.

Одним из источников неэффективности является то, что конденсатор вызывает потери, будучи несколько более горячим, чем внешний мир, хотя это может быть уменьшено путем конденсации пара в теплообменнике и использования рекуперированного тепла, например, для предварительного нагрева используемого воздуха. в горелке двигателя внешнего сгорания.

Работа только части двигателя не зависит от пара; может использоваться любой сжатый газ. Сжатый воздух иногда используется для тестирования или демонстрации небольших моделей «паровых» двигателей.

Фестивали и музеи []

См. Также []

• Хронология мощности пара
• Паровая машина Ньюкомена
• Ватт паровой двигатель
• Сила пара во время промышленной революции
• Стационарная паровая машина
• Паровой осел
• Паровоз для деталей паровых железнодорожных «локомотивов»
• Подшипник крейцкопфа
• Острый пар
• Beam engine

Внешние ссылки []

Шаблон: Commons

Улучшения в паровом двигателе

Огромное количество времени и денег было потрачено на новые гениальные отключения для паровых двигателей. Каждый, в свою очередь, в том виде, в каком он был представлен публике, должен был превосходить своих предшественников либо в способности адаптировать точное количество пара, используемого к выполняемой работе, либо по его мгновенному действию. Лучшие современные двигатели показывают, судя по индикаторным картам, от 60 до 90 процентов теоретического воздействия пара; во всех случаях цифры меняются пропорционально тому, как проявляется осторожность в поддержании высокой температуры в цилиндре. Все это улучшения, и они направлены на большую экономию пара.Прежде чем паровой двигатель можно будет назвать экономичным, наша современная система котлов должна быть значительно улучшена или должна быть изобретена совершенно новая система подачи тепла к воде. Все мы знаем, что паровая машина в настоящее время является наиболее расточительным источником энергии и что мы реализуем лишь от 15 до 25 процентов теоретического количества энергии, получаемой из потребляемого угля. Где-то в котле потеряно около 75 процентов, и кажется, что было бы важнее предпринять энергичные попытки улучшить котел, а не двигатель. То, что Ватт сделал для паровой машины, когда изобрел конденсатор, какой-нибудь инженер нашего времени может сделать, улучшив котел. Поскольку для производства пара необходимо использовать тепло, а котлы всех морских пароходов обязательно должны использовать соленую воду, первым усовершенствованием должен быть лучший метод удаления соли из воды. В настоящее время для этого используются поверхностные конденсаторы, но они большие и тяжелые, и к тому же не дают чистой пресной воды.Эта операция должна выполняться по мере поступления воды в резервуар и до того, как она пройдет через котлы, как в случае поверхностной конденсации в настоящей системе. Поскольку более высокое давление и большая степень расширения до сих пор были источником экономии, вполне вероятно, что мы увидим повышение давления выше того, которое сейчас выдерживают котлы, и, как следствие, пар расширится до в большей степени. Но прежде чем мы сможем прийти к этому моменту, необходимо, чтобы соль была извлечена из воды до того, как она попадет в котел. Какую форму может принять котел, это больше, чем кто-либо может сказать, но до тех пор, пока тепло не применяется лучше, мы должны терять большое количество. Большое количество тепла теряется из-за излучения всех частей котла. Это правда, что мы почувствовали открытую поверхность, но это только метод уменьшения потерь, которому мы должны подчиняться с нашей нынешней формой котла. Тепло теряется при прохождении от топки к воздухозаборнику, действительно, некоторые потоки нагретых газов, генерируемых в топке, почти не достигают какой-либо поверхности котла, а проходят через центр трубок наружу через дымовую трубу. , поскольку не было выполнено никаких работ, кроме заполнения пространств, которые в противном случае остались бы свободными, эти потери тем больше, чем больше диаметр труб или дымоходов.Где находятся все потери, сказать невозможно, так как наиболее трудно судить, в какой момент выделяется тепло в больших количествах; очки, которые, как мы полагаем, дают большие суммы, возможно, тратят впустую, но лишь небольшой процент от всей потери. Ватт, когда он изобрел конденсатор, сделал, можно сказать, последнее крупное усовершенствование паровой машины. С В его время был заменен котел, введены трубчатые котлы, и давление намного выше, чем в его дни.Несомненно, если бы Ватт смог добиться такого высокого давления в своих цилиндрах, как мы сейчас, он бы воспользовался расширением, полностью осознавая его преимущества. При преобладании низкого давления он довел расширение до самых экономичных пределов. Оглядываясь назад на прошлые годы, мы видим, что все улучшения любого масштаба были внесены в котел; усовершенствования двигателя просто продолжали и внимательно следили за изменениями в конструкции котла.Следующее великое изменение в паровой машине — следующее изменение, которое будет способствовать использованию пара и повысит его огромную полезность, произойдет за счет усовершенствования котла. Мы должны атаковать источник зла, если хотим свергнуть его, и в неправильной конструкции котла зло будет найдено и трудности будут преодолены.

Один из крупнейших в мире паровозов вот-вот сделает триумфальное возвращение

Спустя семьдесят лет после завершения строительства Первой трансконтинентальной железной дороги в 1869 году крутые Скалистые горы Вайоминга и Юты все еще создавали проблемы для Union Pacific Railroad.

Несмотря на наличие массивных паровых двигателей, Union Pacific, одна из крупнейших железных дорог в Америке, все еще изо всех сил пыталась переместить тяжелые грузовые поезда через горы, и часто приходилось использовать несколько локомотивов, чтобы доставлять поезда к месту назначения. Для этого требовалось больше рабочих и больше топлива. В 1940 году инженеры-механики Union Pacific объединились с American Locomotive Company, чтобы построить один из крупнейших в мире паровозов, класс двигателей, просто известный как «Big Boy».”

Теперь, спустя шесть десятилетий после того, как последний Big Boy был снят с рельсов, Union Pacific восстанавливает один из знаменитых локомотивов в честь приближающегося празднования полувековой годовщины строительства первой Трансконтинентальной железной дороги. Это настолько амбициозный проект, что Эд Диккенс-младший, инженер паровозов Union Pacific и руководитель реконструкции, сравнил его с воскрешением Tyrannosaurus rex .

Первый показ первого «Большого мальчика» № 4000 в Юте. Любезно предоставлено Union Pacfic

Локомотивы Big Boy весили более миллиона фунтов и имели длину 132 фута 9 дюймов.Стоя на его конце, можно было бы сравнить с 13-этажным зданием. Строительство каждого из них обошлось примерно в 265 000 долларов, что сегодня составляет около 4,4 миллиона долларов. В мире железных дорог Big Boys были известны как локомотивы сочлененного типа 4-8-8-4. Это обозначение означало, что у локомотива четыре колеса спереди, два набора из восьми ведущих колес (большие колеса, соединенные с поршнями, которые заставляют локомотив двигаться) в середине и четыре ведомых колеса, все под одним огромным котлом.

Union Pacific приобрела 25 Big Boys в период с 1941 по 1944 год.Согласно журналу Trains Magazine , паровые машины первоначально должны были называться «Уосатч», в честь гор, которые они были построены для перевозки грузов, но в 1941 году рабочий цеха Американской локомотивной компании написал мелом «Большой мальчик». на передней части локомотива и название прилипло. Под новым названием парового двигателя неизвестный рабочий также нацарапал букву «V», популярный символ победы во Второй мировой войне, конфликте, в котором локомотивы Big Boy вскоре сыграют решающую роль.

Слева направо: Отто Джабельманн, главный механик Union Pacific, перед первым локомотивом Big Boy; крупный план цилиндра Big Boy, движения и паровых труб. Любезно предоставлено Union Pacfic; Крупным планом: Хью Ллевелин / CC BY-SA 2.0

Локомотив № 4000, первый Big Boy, покинул завод American Locomotive Company в Скенектади, штат Нью-Йорк, летом 1941 года, направляясь к новому владельцу. Огромный паровой двигатель привлекал внимание, где бы он ни находился, и, по некоторым подсчетам, о нем было написано более 500 газетных статей, прежде чем он прибыл на железнодорожные пути Union Pacific в Омахе, штат Небраска, 11 сентября.4 января 1941 года. Локомотив № 4000 и другие «Биг Бойз» были быстро приняты на вооружение, как раз в то время, когда военные действия союзников накалялись. В период с 1941 по 1945 год паровые двигатели помогли переместить миллионы тонн военного снаряжения и других материалов, по словам историка Джона Буша, самопровозглашенного «паровозного ореха Union Pacific» и автора многочисленных книг по поездам и Trains. Журнал , блог о тепловозах. «Без Big Boys Union Pacific никогда бы не перевезла все эти материалы для военных целей», — говорит Буш.

Union Pacific использовала Big Boys до 1959 года, когда их заменили дизель-электрические локомотивы, которые были проще и дешевле в обслуживании, хотя, возможно, менее впечатляюще, чем шумный паровой двигатель, изрыгающий дым, с его симфонией движущихся частей. Большинство Big Boys были списаны, но восемь были выставлены на обозрение по всей стране.

Union Pacific 4014 виден в разобранном виде на заводе по восстановлению железной дороги в Шайенне, штат Вайоминг. Любезно предоставлено Union Pacfic

. Хотя некоторые паровые машины все еще работают в музеях и на исторических железных дорогах, на протяжении десятилетий энтузиасты железной дороги считали, что Big Boys были просто слишком большими, чтобы когда-либо снова запускаться. Во-первых, инфраструктура, необходимая для обслуживания такого массивного локомотива, была снесена в конце эры пара, и даже если кто-то восстановит его, было немного железнодорожных линий, которые могли бы обслуживать машину такого размера. Но в 2013 году Union Pacific объявила, что снова приобретает Big Boy в надежде восстановить его к 150-летию завершения Трансконтинентальной железной дороги. Весной 2014 года Big Boy No. 4014 был перевезен из Помоны, Калифорния, где он был выставлен в Музее поездов RailGiants, в Шайенн, Вайоминг, где Union Pacific хранит и обслуживает два других исторических паровоза для особых мероприятий и экскурсий.

Локомотив Union Pacific 4014 в том виде, в котором он был в эксплуатации в 1950-х годах. Любезно предоставлено Union Pacfic

Бушу, историку железных дорог, посчастливилось проехать на Big Boy No. 4014, когда его привезли обратно в Вайоминг на паре дизель-электрических локомотивов. Он говорит, что шоссе вдоль железнодорожной линии были заполнены зеваками, которые наблюдали, как не восстановленный паровой двигатель катится по рельсам. «Это было впечатляюще», — говорит он. «Для многих это была мечта».

С момента прибытия локомотива в цех Union Pacific в Вайоминге механики медленно восстанавливали его, что требовало разборки, осмотра и ремонта каждой отдельной части локомотива.Паровой двигатель также будет изменен, чтобы он мог сжигать нефть, которую легче добыть, чем уголь, который он когда-то сжигал в 1940-х и 1950-х годах. «Это масштабная реставрация с нуля», — говорит Диккенс.

Локомотив № 4013, еще один «Большой мальчик», делает поворот на главную линию с новой колеи № 3 на Шерман-Хилл в Вайоминге. Предоставлено Union Pacfic

Диккенс надеется, что № 4014 будет построен и заработает на собственном питании до 10 мая 2019 года, к 150-летию Трансконтинентальной железной дороги.Ожидается, что первая поездка на локомотиве доставит локомотив в Огден, штат Юта, недалеко от того места, где в 1869 году был проехан Golden Spike. Впервые в истории Америки по железной дороге восточное побережье и западное побережье. Сегодня мыс является национальным историческим памятником.

Буш ожидает, что энтузиасты поездов и любители истории со всего мира проложат путь от Вайоминга до Юты, когда Big Boy совершит свой первый рейс за 60 лет.

«Я не могу придумать лучшего способа отпраздновать эту годовщину, чем восстановление локомотива Big Boy», — говорит Буш. «Это то, о чем энтузиасты железной дороги мечтали более полувека».

* Исправление: В этой статье мыс первоначально упоминался как Промонтори, штат Юта.

Новое изобретение парового двигателя | Engineering for Change

20 августа 2021

участник: СПРОС: ASME Global Development Review

Карл Биленберг черпал вдохновение в технологических инновациях промышленной революции, направленных на сокращение глобальной энергетической бедности.

---

Один взгляд на спутниковый снимок Земли в ночное время позволяет многое узнать об энергетическом неравенстве в мире. Европа, США и Ближний Восток светятся яркими огнями. В Японии горит, как и в большей части Юго-Восточной Азии, Южной Канады и густонаселенных прибрежных районах Южной Америки и Австралии. Но в Африке — за пределами пылающего Йоханнесбурга и нескольких мерцающих городских центров — темно.

По данным Международного энергетического агентства, примерно 1.3 миллиарда человек во всем мире не имеют доступа к электричеству. Почти половина из них живет в небольших отдаленных общинах в Африке к югу от Сахары, где проживает почти миллиард человек. И, несмотря на стремительный экономический рост во многих африканских странах, количество людей, не подключенных к современным энергетическим услугам, растет, потому что расширение инфраструктуры не может поспевать за ростом городов. Действительно, при высокой стоимости и медленном росте энергетических услуг процент «подключенного» населения Африки — как городского, так и сельского — мало изменился за последние 40 лет.

Именно столько времени Карл Биленберг искал способы создать доступную электроэнергию в Африке. В 1980-х годах инженер-механик изучал, как использовать растительные масла в качестве более дешевой замены дизельного топлива, которое в то время приводило в действие большинство сельхозтехники. Ни одна из разрабатываемых им технологий не оказалась столь рентабельной, как он надеялся, поэтому он вернулся к чертежной доске. Путь назад.

«Я начал спрашивать, почему мы отворачиваемся от пара», — размышляет Биленберг.«Пар был источником энергии, который подпитывал промышленную революцию. Почему бы нам не использовать это в Африке? »

Краткая история паровой машины

Между серединой 18 и 19 веками большинство заводов, кораблей и поездов работали на паровых машинах. Технология была проста: котел — в основном резервуар или контейнер с огнем под ним — производил пар, нагревая воду. Создание объемов пара внутри котла создавало давление, которое можно было использовать для движения и выполнения работы.

До конца 19 века паровые двигатели генерировали полезную мощность за счет приложения давления в котле к поршню, который запускал цепную реакцию, когда он начинал двигаться. Движение будет вращать соединенный вал, который, например, можно использовать для привода механического оборудования, если он прикреплен к колесам локомотива или гребному винту корабля. Или он мог производить электричество, вращая генератор. Это был простой процесс, а паровые машины были чрезвычайно надежными и долговечными.На самом деле, паровой двигатель работал до 75 лет при нечастом техническом обслуживании.

Доступ к энергии в Африке мало изменился за последние 40 лет.

Обратной стороной паровых машин было то, что они были большими, тяжелыми и капиталоемкими. Со временем, когда использование ископаемого топлива и двигателей внутреннего сгорания стало более распространенным, паровые двигатели стали менее конкурентоспособными. Поэтому, когда Биленберг решил вернуться к использованию пара в качестве источника энергии, он знал, что необходимо внести улучшения.

«Дело не в том, что они не знали, что им нужно было делать в XIX веке для повышения эффективности. Они сделали очень много за его почти столетнюю историю использования », — говорит Биленберг. «Но мы смогли пойти немного дальше с материалами, которых у них не было».

В 2008 году, используя современные материалы и улучшенную термодинамику, Биленберг разработал небольшую паровую электростанцию, работающую на биомассе, которая преобразует древесные и сельскохозяйственные отходы в полезную энергию.Он назвал и прототип, и предприятие, которое он начал коммерциализировать, Village Industrial Power, или сокращенно VIP.

Зависимость от биомассы

Использование биомассы в качестве мощного и эффективного источника энергии может изменить правила игры в бедных, автономных сообществах, где природные вещества обеспечивают от 75 до 80 процентов общего потребления энергии, говорит Биленберг. Отчасти причина такого высокого процента заключается в том, что большое количество биомассы сжигается в традиционных открытых кострах, которые являются неэффективным способом обеспечения тепла.

Биленберг утверждает, что для уменьшения энергетической бедности имеет смысл взглянуть на виды топлива, которые люди уже используют, чтобы увидеть, как использовать их более эффективно и производить современные энергетические услуги. «Если вы можете это сделать, вы дадите людям возможность продвинуться в экономическом плане и повысить свой уровень жизни, не попадая в зависимость от дорогостоящего импортного топлива. Это очень мощная парадигма, — говорит он.

VIP, безусловно, предлагает изрядный толчок к изменению этой парадигмы, как следует из «деревенской» части его названия.Устройство предназначено для обеспечения энергией целых сообществ или небольших коммерческих предприятий, а не отдельных домашних хозяйств. Предполагаемое использование VIP включает в себя питание сельскохозяйственных предприятий, общественных клиник и больниц или микросетей. Фактически, все эти приложения были протестированы.

Географически к целевым рынкам VIP относятся менее развитые страны, где технология может заменить функции, которые в остальном зависят от дорогостоящих источников топлива, таких как дизельное топливо, которое в большинстве частей Африки стоит около 1 доллара США за литр. Поскольку VIP работает на биомассе, эта технология полезна только в регионах с изобилием источников биомассы, а не в пустынях или регионах с небольшим количеством деревьев или небольшой растительностью. Самые идеальные районы находятся в пределах от 10 до 30 градусов от экватора.

В отдаленном африканском регионе Сахель — полосе между северной пустыней континента и центральным лесом, простирающейся от Судана до Сенегала, — сельские общины живут с небольшими источниками дохода и рудиментарной инфраструктурой.

Эффективность простых источников энергии из биомассы

«[Для получения энергии] люди сжигают дрова.Дерево и деревья очень важны для их выживания », — поясняет Биленберг. Во всем, что не может заправить древесина, люди полагаются на дизельные двигатели и генераторы или силу человеческих мускулов.

Дизельные машины дороги там, где мало возможностей для заработка. Использование небольшого 2,5-киловаттного дизельного генератора на целый день может привести к расходам на топливо около 10 долларов. Таким образом, люди стараются свести к минимуму расход топлива, чтобы сэкономить деньги на неизбежные расходы, такие как лекарства, одежда и школьные сборы; они делают это, максимально полагаясь на собственный труд.

«В деревнях, где есть дизельные зерновые мельницы, значительная часть женщин предпочитает молотить кукурузу вручную, чтобы избежать затрат на механизированный помол», — объясняет Биленберг. «Это указывает на то, что для женщин с низким доходом ручной труд может быть дешевле, чем дизельная энергия».

Биленберг подчеркивает потребность в доступных и недорогих источниках энергии, а также в решениях, которые могут обеспечить возможности получения дохода внутри сообществ, особенно для женщин.

Меньшая паровая машина, которая могла бы

Возможность использовать биомассу в качестве источника энергии для слаборазвитых регионов появилась у Биленберга через 40 лет работы в Западной Африке и долгую карьеру в области энергетики в Соединенных Штатах.В США он зарабатывал себе на жизнь, представляя то, что он называет «миссионерской компанией», которая производит коммерческие котельные на биомассе.

«Основной рынок сбыта этих растений — Новая Англия, где зимы длинные, а вегетационный период короткий, а у нас много древесины. Мы помещаем их в школы и больницы, и они производят очень дешевое тепло и горячую воду для больших зданий », — говорит он. «Это технология, которая [является] очень интересной и рентабельной при уменьшении масштаба.”

КПД 10-киловаттной машины VIP

Полезная энергия на выходе VIP имеет три вида: механическую, электрическую и тепловую. Механическая энергия может использоваться для привода механизмов или преобразовываться в электрическую энергию через генератор машины. Оригинальный прототип парового двигателя мощностью 7 кВт поглощает 60 процентов тепла от огня, работающего на биомассе, из которых около восьми процентов можно использовать для выработки энергии или электричества.

Последняя версия VIP — это машина мощностью 10 кВт, которая может улавливать 70 процентов тепла от огня, примерно 10 процентов которого можно преобразовать в электричество. Работая восемь часов в день, он может производить 80 кВт-часов, что достаточно для обеспечения электричеством от 100 до 200 домов для маломощного освещения и основных приборов, таких как небольшой холодильник. Он также заменяет ежедневные расходы на дизельное топливо от 32 до 40 долларов.

Оставшиеся 60 процентов захваченной энергии можно использовать в качестве тепла для таких применений, как общественные купания, приготовление пищи, обработка или сушка сельскохозяйственных культур или стерилизация в медицинских учреждениях.

«Это плохая сделка, что мы получаем больше тепла, чем электроэнергии, но в рассматриваемых нами приложениях, таких как обработка сельскохозяйственных культур и здравоохранение, потребность в тепле на самом деле превышает потребность в электроэнергии. или мощность, так что, по сути, это очень хороший баланс », — говорит Биленберг.

Одним из ключевых преимуществ VIP по сравнению с другими технологиями является то, что его мощность может быть легко распределена в любое время. Фотоэлектрические солнечные батареи, например, требуют резервных батарей для работы в ночное время или в плохих погодных условиях.

Чтобы сделать паровую энергию доступной для сообществ с ограниченными ресурсами, Биленберг и его команда внесли существенные изменения в конструкцию своей вдохновляющей модели. Традиционные паровые двигатели имели сложные связи и механизмы для управления клапанами, что увеличивало сложность и стоимость машины.Но VIP должен был быть простым по конструкции, с минимальным количеством движущихся частей, из-за трудностей с поиском специалистов для обслуживания в удаленных районах.

Решение, которое разработала команда Биленберга, заключалось в установке самодействующих впускных клапанов. «Они находятся под давлением, работают сами по себе и делают именно то, что им нужно, не требуя каких-либо внешних механизмов для их перемещения», — объясняет он.

Еще одна важная модификация конструкции заключается в том, что VIP не требует смазки для своих движущихся частей. В стандартных паровых двигателях операторам приходилось использовать масло для смазки поршня и поршневых колец, чтобы двигатель работал плавно. Биленберг хотел отказаться от смазочных материалов по двум причинам: во-первых, потому что масло было бы дополнительным расходом, и во-вторых, потому что смазочное масло для поршня смешивалось бы с паром, и его нужно было бы отфильтровать, прежде чем рециркулировать конденсированную воду обратно в котел. — дополнительная сложность. В противном случае масло могло бы гореть внутри котла и снизить его эффективность.

В качестве решения команда VIP использовала углеродный графит для поверхности скольжения поршня и поршневых уплотнений. Поршни и уплотнения, изготовленные из этой кристаллической формы углерода, являются самосмазывающимися. Это позволяет использовать воду — дефицитный ресурс во многих местах — с легкостью рециркулировать через машину.

Последним усовершенствованием конструкции VIP является прочный котел. При гидростатических испытаниях, когда для оценки производительности котла используется вода под давлением, коэффициент безопасности машины оказался в три раза выше, чем у обычного U. С. котлов. Это стало результатом кропотливой инженерии Биленберга, направленной на то, чтобы котел соответствовал нормам котлов ASME или даже превосходил их — строгий набор стандартов, который был сформирован с появлением коммерциализированной паровой генерации энергии.

Все эти приспособления позволяют сделать машину более эффективной, безопасной и компактной. Однако VIP-персоны по-прежнему представляют собой здоровенные единицы оборудования: готовые единицы весят около тонны.

Все VIP в настоящее время производятся вручную в Новой Англии и отправляются в конечный пункт назначения, готовые к работе по прибытии.Каждая единица построена как единое целое, которую можно перемещать на пикапе и прикреплять болтами к бетонной площадке внутри сарая. После того, как VIP-устройство установлено, все, что нужно сделать оператору, — это накормить его топливом и водой, чтобы начать использовать.

У ручного изготовления VIP-юнитов так далеко от их целевых рынков есть недостатки, особенно с точки зрения стоимости. Производство машин в настоящее время стоит около 20 000 долларов. Поскольку компания приобретает более дешевое производство и увеличивает объемы производства, ожидается, что цена упадет примерно до 15 000 долларов.

Для сравнения: дизель-генераторные установки, которые могут соответствовать выходной мощности VIP, стоят от 4000 до 10 000 долларов без учета текущих расходов на дизельное топливо. «Так что наша примерно в два раза дороже, чем производство», — признает Биленберг.

Добавьте к этому стоимость доставки в порты Африки, которая составляет около 2500 долларов за машину, от 100 до 500 долларов за транспортировку от порта до конечного объекта и до 300 долларов за установку, и VIP становится довольно дорогим оборудованием для малообеспеченные сельские общины с предоплатой.

Команда признает, что должны быть варианты финансирования, чтобы решение было жизнеспособным. Но они также ожидают, что, когда будет установлена ​​окончательная цена, VIP будет конкурентоспособным по стоимости с другими доступными технологиями. (VIP утверждает, что машина уже конкурентоспособна с солнечными системами сопоставимого размера.) По оценке Биленберга, если бы двигатель работал от восьми до 10 часов в день, машина окупилась бы за один-два года.

Подтверждение производительности

В конце 2014 года VIP начала полевые испытания своих устройств, чтобы оценить, какие аспекты технологии работают положительно, а какие нуждаются в улучшении.Пять бета-прототипов мощностью 7 кВт были отправлены в Африку при гранте USAID 2013 «Энергетика сельского хозяйства»: два в Танзанию для питания больницы и деревенской микросети и три — для устойчивых плантаций масличных пальм в Бенине. В Танзании больница должна обеспечивать электричеством для перекачки воды и обогрева прачечной, а в деревне ожидается электрификация 50 домов и ряда малых предприятий. В Бенине установки предназначены для замены дизельного топлива и дров для питания сельскохозяйственного оборудования и подачи горячей воды.

Больничные и масличные пальмы VIP проходят испытания с топливом из кофейной шелухи (пергамент) и волокна масличной пальмы и скорлупы пальмовых ядер, соответственно, в то время как деревенское растение испытывается на обрезках древесины эвкалиптовых деревьев, выращенных на плантациях.

Помимо пяти испытательных установок в Африке, VIP установила две установки мощностью 50 кВт в государственном доме престарелых в Нью-Гэмпшире. Эти агрегаты составляют часть интегрированной автономной системы, которая также состоит из гидроэлектростанций и дизель-генераторов.Эти агрегаты получают пар от 5-миллиметровой котельной Btu Messersmith, частично разработанной Биленбергом. Инсталляция в Нью-Гэмпшире подчеркивает широкий спектр приложений и потенциальное использование этой технологии в более состоятельных сообществах.

В ходе полевых испытаний команда надеется узнать больше о том, как работает VIP при подаче различных видов топлива, а также о том, сколько золы выделяют различные виды топлива, и вызывают ли они коррозию переносящую поверхность котла или способствуют тому, что « шлакование »печи за счет прилипания к ее горячим поверхностям.Испытания также являются способом оценки адаптируемости технологии к различным видам топлива, чтобы определить, где она наиболее подходит для использования.

Большинство результатов, собранных VIP до сих пор, были анекдотичными, но, тем не менее, информативными. Одна из проблем, над которыми работает команда, — это, например, установка автоматических регуляторов подачи и зарядки аккумуляторов на машинах. Другая обратная связь показала, что некоторые аспекты машин работают лучше, чем первоначально предполагалось.

«Многие люди думали, что тот факт, что это был ручной станок, может стать проблемой», — говорит Фелисити Лодж, генеральный директор VIP.«На самом деле, люди были в восторге от того, что это было вручную, потому что им не нужно было беспокоиться о замене деталей, к которым у них нет доступа или которые они не могут отремонтировать. Они были счастливы, что устройство можно разобрать и собрать за час с помощью двух гаечных ключей ».

Она добавляет, что технологии для рынков с низким уровнем ресурсов, таких как те, которые они обслуживают в Африке, иногда могут быть чрезмерно сложными. «Как только они ломаются, они ломаются. Здесь не было такого дизайна. Было сделано намерение сделать VIP ремонтируемым и простым в обслуживании.”

Один из самых удивительных отзывов касается способности машины минимизировать количество древесины в качестве ежедневного источника топлива. И Биленберг, и Лодж полагали, что фермеры и сельские жители будут больше всего рады экономии на дизельном топливе. «Но оказывается, что значительное сокращение потребления древесины не менее, если не более важно для них», — говорит Лодж.

Цикл ввода-вывода VIP

Это важный знак для будущего технологии как эффективного и устойчивого источника энергии.Нетрудно представить, как надежный производитель энергии, работающий на биомассе, может привести к разрушительным экологическим практикам, таким как вырубка лесов, для поддержания тепла и света в общинах и для того, чтобы идти в ногу с экономическим ростом. Но, напротив, Биленберг считает, что присутствие высокопоставленного лица на местном уровне могло бы фактически стимулировать лесовосстановление, мотивируя фермеров к экологически рациональной посадке деревьев для использования в качестве топлива, а не просто к заготовке древесины для пропитания, — говорит он.

Команда VIP еще не опубликовала количественные данные о том, сколько киловатт-часов электроэнергии машины могут производить на килограмм материала биомассы, но они анализируют эти цифры для нескольких источников топлива.Предварительные испытания показали, что когда давление в котле VIP составляет от 250 до 300 фунтов на квадратный дюйм, требуется от 25 до 30 кг высушенной на воздухе древесины в час для выработки 7 кВт мощности. «VIP следующего поколения», который был запущен в производство в декабре 2015 года, «был разработан для работы при давлении до 400 фунтов на квадратный дюйм. Мы наблюдаем значительное увеличение мощности и эффективности при повышенном давлении и ожидаем, что новые агрегаты будут производить 10 кВт при том же расходе топлива », — говорит Биленберг.

Благодаря инвестиционному финансированию от компании Factor (E) Ventures, занимающейся поддержкой предприятий на раннем этапе, новые агрегаты, получившие название V-10, включают в себя несколько улучшений, таких как новый котел, разработанный в соответствии с нормами ASME, сварные соединения труб и более прочные внутренние детали двигателя. чтобы приспособиться к повышенному давлению и мощности.Рыночные испытания новых агрегатов начнутся в 2016 году в Кении и Гане.

Замыкание цикла

В танзанийской деревне, где VIP-блок используется для питания микросети, процесс запуска и запуска сети научил VIP-команду многому о потенциале и ограничениях их изобретения. В деревне они обнаружили общину, которая ждала, пока правительство подключит их к национальной электросети, хотя сеть Танзании охватывает только 14 процентов от почти 50 миллионов жителей Танзании.(Большинство подключенных пользователей находятся в городах.) Из-за этого готовность сельских жителей платить за электроэнергию была ограничена, даже несмотря на то, что темпы подключения правительства были медленными.

Те, кто понимал, что сеть вряд ли достигнет их в ближайшее время, были более склонны платить за электроэнергию, при условии, что они могли снизить затраты за счет использования источника в течение более длительных периодов времени для поддержки продуктивной дневной деятельности.

«Люди были довольны, что устройство можно разобрать и собрать за час с помощью двух гаечных ключей.”

Таким образом, команда VIP узнала, что для того, чтобы система микросетей работала, эти приложения должны быть доступны с первого дня, а также должен существовать четкий процесс выставления счетов домохозяйствам за использованную электроэнергию. Затраты и планирование, необходимые для того, чтобы технология работала на этом уровне, могут быть больше, чем могут себе позволить некоторые из предполагаемых клиентов VIP.

Биленберг и Лодж признают, что первоначальная стоимость VIP-модуля, будь то для микросети или любого другого приложения, создает проблему для его масштабируемости.«Одна большая проблема для многих фермеров — это финансирование, потому что они не могут легко получить доступ к финансированию от банков или других традиционных поставщиков», — говорит Лодж. «Мы изучаем различные модели финансирования и способы их решения».

Одно из решений — помочь сообществам разработать модели финансирования, аналогичные модели энергосервисной компании или кооператива, где участники собираются вместе, чтобы купить машину. Они также надеются использовать заинтересованность успешных членов сообщества в том, чтобы помочь своим родным деревням получить доступ к лучшим ресурсам.

«В Африке люди, которые ушли и преуспели, традиционно несут ответственность за помощь своим деревням и семьям», — говорит Лодж.

Биленберг добавляет: «Я считаю их людьми, которые в конечном итоге должны нести ответственность за экономическое развитие своей страны. У них есть ресурсы, чтобы это произошло, но они не были задействованы в полной мере из-за отсутствия технологий [необходимых для экономического развития] ».

Биленберг на собственном опыте убедился, насколько эффективным может быть взаимодействие.В апреле прошлого года во время поездки в Бенин Биленберг разговаривал со своим малийским водителем о своей работе над VIP. Водитель предложил помочь с установкой трех агрегатов в Сакете. Он прибыл, чтобы помочь разгрузить машину и управлять всеми, кто ее устанавливает; он также научился обслуживать и управлять им.