Принцип действия паровой машины: Паровой двигатель, принцип работы

Содержание

Схема устройства и принцип работы паровой машины. Топи, ребята! Пять недавних автомобилей с паровым двигателем Современные паровые двигатели из двс

Современный мир заставляет многих изобретателей снова возвращаться к идее применения паровой установки в средствах, предназначенных для перемещения. В машинах есть возможность использовать несколько вариантов силовых агрегатов, работающих на пару.

Поршневой мотор

Современные паровые двигатели можно распределить на несколько групп:

Конструктивно установка включает в себя:

пусковое устройство;
силовой блок двухцилиндровый;
парогенератор в специальном контейнере, снабженный змеевиком.

Процесс происходит следующим образом. После включения зажигания начинает поступать питание от аккумуляторной электробатареи трех двигателей. От первого в работу приводится воздуходувка, прокачивающая воздушные массы по радиатору и передающая их по воздушным каналам в смесительное устройство с горелкой.

Одновременно с этим очередной электромотор активирует насос перекачки топлива, подающий конденсатные массы из бачка по змеевидному устройству подогревательного элемента в корпусную часть отделителя воды и подогреватель, находящийся в экономайзере, в паровой генератор.

До начала запуска пару нет возможности пройти к цилиндрам, так как путь ему перекрывают клапан дросселя или золотник, которые приводятся в управление кулисной механикой. Поворачивая ручки в сторону, необходимую для передвижения, и приоткрывая клапан, механик приводит в работу паровой механизм.
Отработанные пары по единому коллектору поступают на распределительный кран, в котором разделяются на пару неодинаковых долей. Меньшая по объему часть попадает в сопло смесительной горелки, перемешивается с воздушной массой, воспламеняется от свечи. Появившееся пламя начинает подогревать контейнер. После этого продукт сгорания переходит в водоотделитель, происходит конденсирование влаги, стекающей в специальный бак для воды.

Оставшийся газ уходит наружу.

Паровая установка может напрямую соединяться с приводным устройством трансмиссии машины, и с началом ее работы машина приходит в движение. Но с целью повышения кпд специалисты рекомендуют использовать механику сцепления. Это удобно при буксировочных работах и разных проверочных действиях.

Аппарат отличается способностью работать практически без ограничений, возможны перегрузки, имеется большой диапазон регулировки мощностных показателей. Следует добавить, что во время любой остановки паровой двигатель перестает работать, чего нельзя сказать про мотор.

В конструкции нет необходимости устанавливать коробку переключения скоростей, страртерное устройство, фильтр для очистки воздуха, карбюратор, турбонаддув. Кроме этого, система зажигания в упрощенном варианте, свеча только одна.

В завершении можно добавить, что производство таких машин и их эксплуатация будут обходиться дешевле, чем автомобили с двигателем внутреннего сгорания, так как топливо будет недорогим, материалы, применяемые в производстве – самыми дешевыми.

Наткнулся на интересную статью в интернете.

«Американский изобретатель Роберт Грин разработал абсолютно новую технологию, генерирующую кинетическую энергию путем преобразования остаточной энергии (как и других видов топлива). Паровые двигатели Грина усилены поршнем и сконструированы для широкого спектра практических целей. «
Вот так, ни больше ни меньше: абсолютно новая технология. Ну естественно стал смотреть, пытался вникнуть. Везде написано, одним из наиболее уникальных преимуществ этого двигателя является способность генерировать энергию из остаточной энергии двигателей. Точнее говоря, остаточная выхлопная энергия двигателя может быть преобразована для энергии, идущей к насосам и охлаждающим системам агрегата. Ну и что из этого, как я понял выхлопными газами доводить воду до кипения и потом преобразовывать пар в движение. Насколько это необходимо и малозатратно, ведь… хоть этот двигатель, как пишут, и специально разработан из минимального количества деталей, но все таки он сколько то да и стоит и есть ли вообще смысл огород городить, тем более принципиально нового в этом изобретении я не вижу.

А механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное уже придумано очень много. На сайте автора двухцилинровая модель продаестя, в принципе не дорого
всего 46 долларов.
На сайте автора есть видео с использованием солнечной энергии, так же есть фото где некто на лодке использует этот двигатель.
Но в обоих случаях это явно не остаточное тепло. Короче я сомневаюсь в надежности такого двигателя: «Шаровые же опоры одновременно являются полыми каналами, по которым в цилиндры подаётся пар.» А каково ваше мнение, уважаемые пользователи сайта?
Статьи на русском

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

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

В те годы, когда автомобиль только зарождался двигатель внутреннего сгорания лежал лишь на одном из направленний конструкторской мысли. С автомобилем, где использовались двигатели такого рода, успешно конкурировали паровые и электрические.

Паровой автомобиль француза Луи Сорполле даже установил в 1902 году рекорд скорости. И в последующие годы — безраздельного господства бензиновых двигателем находились oтдельные энтузиасты пара, которые никак не могли примириться с тем, что этот вид энергии вытеснен с шоссейных дорог. Американцы братья Стенлей строили паровые автомобили с 1897 до 1927 года. Их машины были вполне совершенны, но несколько громоздки. Другая родственная пара, тоже американская — братья Добл, — продержалась несколько дольше. Неравную борьбу они закончили в 1932 году, создав несколько десятков паровых автомобилей. Одна из таких машин эксплуатируется до сих пор, не подвергаясь почти никаким изменениям. Установлен лишь новый котел и форсунка, работающая на дизельном топливе. Давление пара достигает 91,4 атм. при температуре 400° С. Максимальная скорость автомобиля весьма высока — около 200 км/ч. Но самое замечательное — возможность при трогании с места развить огромный крутящий момент. Этим свойством паровой машины двигатели внутреннего сгорания не обладают, и потому и своё время так трудно было внедрить дизель на локомотивы.

Автомобиль братьев Добл прямо с места переезжал через положенный под колеса брусок размером 30 на 30 см. Ёще одно любопытное свойство: задним ходом он взбирается на холм быстрее, чем обычные машины передним. Отработанный пар используется лишь для вращения вентилятора и генератора, заряжающего аккумуляторную батарею. Но эта машина так и осталась бы курьезом, претендентом на место в музее истории техники, если бы взоры конструкторов в наши дни не обратились вновь к старым идеям — электромобилю и пару — под влиянием опасности, которую представляет загрязнение атмосферы.

Что с этой точки зрения привлекает в паровом автомобиле? Исключительно важное свойство — очень малое выделение с продуктами сгорания вредных веществ. Происходит это потому, что топливо сгорает не вспышками, как в бензиновом двигателе, а непрерывно, процесс горения идет стабильно, время сгорания гораздо больше.

Открытия в этом как будто бы вовсе нет — различие между паровым двигателем и двигателем внутреннего сгорания лежит в самом принципе их работы. Почему же паровые автомобили не выдержали конкуренции с бензиновыми? Потому что у двигателей их есть ряд серьезных недостатков.

Первое — известный факт: шоферов-любителей сколько угодно, машинистов же любителей пока нет ни одного. В этой области человеческой деятельности заняты исключительно профессионалы. Самое главное заключается в том, что шофер-любитель, садясь за руль, рискует только жизнью своей и тех, кто ему добровольно доверился; машинист же — тысячами других. Но важно еще и другое: для обслуживания парового двигателя требуется более высокая квалификация, нежели для обслуживания бензинового. Ошибка приводит к серьезным поломкам и даже взрыву котла.

Второе. Кто не видал паровоза, мчащегося в белом облаке по рельсам? Облако — это пар, выпускаемый в атмосферу. Паровоз — могучая машина, на ней хватит места и для большого котла с водой. А на автомобиле не хватает. И это одна из причин отказа от паровых двигателей.

Третье же и самое главное — это низкий к. п. д. паровой машины. Недаром в индустриально развитых странах все паровозы на магистралях стараются заменить теперь тепло- и электровозами, недаром неэкономичность паровоза вошла даже в поговорку. 8% — ну что это за к. п. д.

Для повышения его нужно увеличить температуру и давление пара. Чтобы к. п. д. парового двигателя мощностью от 150л. с. и выше равнялся 30% должно поддерживаться рабочее давление в 210 кг/см2, для чего требуется температура в 370°. Технически это осуществимо, но вообще-то крайне опасно, потому что даже небольшая утечка пара в двигателе или котле может привести в катастрофе. А от высокого давления до взрыва — дистанция совсем небольшая.

Это — главные трудности. Есть и более мелкие (хотя надо оговориться, что в технике мелочей не бывает). Сложно смазывать цилиндры, ибо масло образует эмульсию с горячей водой, попадает в трубы котла, где откладывается на стенках. Это ухудшает теплопроводность и вызывает сильный местный перегрев. Другая «мелочь» — затрудненный по сравнению с обычным пуск парового двигателя.

И тем не менее конструкторы взялись за очень старое и абсолютно новое для них дело. Две удивительные по своему устройству машины вышли на улицы американских городов. Внешне они не отличались от обычных машин, одна даже обтекаемостью форм напоминала спортивную. Это были паровые автомобили. Оба они трогались с места менее чем через 30 сек. после включения двигателя и развивали скорость до 160 км/ч, работали на любом горючем, в том числе и керосине, и на 800 километров пробега расходовали 10 галлонов воды.

В 1966 году фирма «Форд» испытала четырехтактный высокооборотный паровой двигатель для автомобиля рабочим объемом 600 см3. Испытания показали, что в выхлопных газах содержится всего лишь 20 частиц углеводорода на 1 млн. (предписаниями сенатской комиссии по борьбе с загрязнениями воздуха допускается 27 частиц), окиси углерода содержалось 0,05 % общей массы выхлопных газов, что в 30 раз меньше допустимого количества.

Экспериментальный паровой автомобиль, сделанный фирмой «Дженерал моторс», под индексом Е-101 демонстрировался на выставке автомобилей с необычными двигателями. Внешне он не отличался от той машины, на базе которой был создан — «понтиак», — но двигатель вместе с котлом, конденсатором и прочими агрегатами паровой системы весил на 204 кг больше. Водитель садился на свое место, поворачивал ключ и ждал 30-45 сек, пока не загорится лампочка. Это означало, что давление пара достигло нужной величины и можно ехать. Столь короткий промежуток времени можно расчленить на такие этапы.

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

Воспламенение.

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

Водитель нажимает на педаль; количество пара, идущего в двигатель, увеличивается, машина трогается с места. Топливо любое — дизельное, керосин, бензин.

Все эти опыты дали возможность Роберту Айресу из Вашингтонского центра перспективных разработокок заявить, что недостатки парового автомобиля преодолены. Высокая себестоимость при серийном производстве безусловно понизится. Котел, состоящий из труб, исключает опасность взрыва, так как в любой момент в работе участвует лишь небольшое количество воды. Если трубы расположить теснее, размеры двигателя уменьшатся. Антифриз избавит от опасности замерзания. Паровой двигатель не нуждается в коробке передач, трансмиссии, стартере, карбюраторе, глушителе, системах охлаждения, газораспределения и зажигания. В этом его огромное преимущество. Режим работы машины можно регулировать, подавая большее или меньшее количество пара в цилиндры. Если вместо воды использовать фреон, который замерзает при очень низких температурах да еще и обладает смазочным свойством, то преимущества возрастут еще более. Паровые двигатели соперничают с обычными по приемистости, расходу горючего, показателю мощности на единицу веса.

Пока о широком использовании паровых автомобилей речи нет. До промышленного образца не доведена ни одна машина, а перестраивать автомобильную индустрию никто не собирается. Но самодеятельные конструкторы никакого отношения к промышленной технологии не имеют. И они один за другим создают оригинальные образцы автомобилей с паровыми двигателями.

Два изобретателя, Петерсон и Смит, переделали подвесной лодочный мотор. Они подавали пар в цилиндры через отверстия для свечей. Двигатель весом 12 кг развил мощность в 220 л. с. при 5600 об/мин. Их примеру последовали инженер-механик Петер Баррет и его сын Филипп. Использовав старое шасси, они построили паровой автомобиль. Смит поделился с ними опытом. Отец и сын использовали четырехцилиндровый подвесной мотор, совместив его с паровой турбиной конструкции Смита.

Пар производился в специально сконструированном котле, который содержит около 400 футов медных и стальных трубок, соединенных в спиралевидные связки, проходящие друг над другом. Так увеличивается циркуляция. Вода накачивается в котел из бака. Горючее смешивается с воздухом в камере сгорания, и раскаленные языки пламени вступают в соприкосновение с трубами. Через 10-15 сек. вода превращается в сжатый пар температурой примерно 350°С и давлением 44 кг/см. Он выбрасывается из противоположного конца парогенератора и направляется во впускной канал двигателя.

Пар поступает в цилиндр через вращающиеся лопасти, вдоль которых проходят каналы постоянного сечения.
Наружная муфта коленчатого вала жестко связана с цепной передачей на ведущие колеса.

Наконец перегретый пар выполнил свою полезную работу, и он должен теперь превратиться в воду, чтобы быть готовым начать цикл снова. Это делает конденсатор, внешне похожий на обычный радиатор автомобильного типа. Он и размещен спереди — для лучшего охлаждения встречными потоками воздуха.

Наибольшие трудности инженеров заключаются в том, что часто, чтобы добиться хотя бы относительной простоты конструкции, приходится уменьшать И без того невысокий к. п. д. автомобиля. Двум самодеятельным конструкторам очень помогли советы Смита и Петерсона. Именно в результате совместной работы удалось внести в конструкцию много ценных новинок. Начать хотя бы с воздуха для горения. Перед непосредственным поступлением В горелку его подогревают, проводя между раскаленными стенками котла. Это обеспечивает более полное сгорание топлива, сокращает время выпуска, а также делает более высокой температуру сгорания смеси и, стало быть, к. п. д.

Для зажигания горючей смеси в обычном паровом котле используется простая свечка. Петер Баррет сконструировал более эффективную систему — электронного зажигания. В качестве горючей смеси использован спирт-ректификат, поскольку он дешев и имеет высокое октановое число. Конечно, керосин, дизельное топливо и другие жидкие сорта тоже будут работать.

Но самое интересное здесь — конденсатор. Конденсация больших количеств пара считается главным затруднением современных паросиловых установок. Смит сконструировал радиатор с таким расчетом, чтобы использовалась водяная пыль. Конструкция работает отлично, система конденсирует влагу на 99%. Вода почти не расходуется — кроме того небольшого количества, которое все же просачивается через уплотнения.

Другая интересная новинка — система смазки. Цилиндры паровой машины обычно смазываются с помощью сложного и громоздкого устройства, распыляющего тяжелую масляную пыль в паре. Масло оседает на стенках цилиндров и затем выбрасывается с отработанным паром. Позже масло необходимо отделить от водяного конденсата и возвратить в систему смазки.

Барреты использовали химический эмульсигатор, который вбирает оба элемента — воду и масло и затем разделяет их, устраняя, таким образом, необходимость в громоздком инжекторе или механическом сепараторе. Испытания показывают, что при работе химического эмульсигатора не образуется осадков ни в паровом котле, ни в конденсаторе.

Интересен также механизм типа сцепления, который напрямую соединяет двигатель с ведущим валом и карданной передачей. Машина не имеет коробки перемены передач, скорость контролируется изменением впуска пара в цилиндры. Использование системы «впуск-выпуск» позволяет без затруднений поставить двигатель в нейтральное положение. Пар может направляться в двигатель, нагревать его и в то же самое время приводить паровой котел в положение готовности к активной работе, сохраняя в нем постоянное близкое к рабочему давление. Паровой двигатель развивает мощность 30- 50 л. с, а галлона топлива хватает на передвижение машины на расстояние 15-20 миль, что вполне сравнимо с расходом топлива у автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Контрольная система довольно сложна, но полностью автоматизирована; приходится следить только за рулевым механизмом и выбирать требуемую скорость. При испытаниях автомобиль достиг скорости около 50 миль в час, но это предел, поскольку шасси машины не соответствовало мощности двигателя.

Таков результат. Все это — пока эксперименты. Но как знать, не явимся ли мы свидетелями нового господства пара на дорогах — теперь уже не железных, а шоссейных.
Р. ЯРОВ, инженер
Моделист-конструктор 1971 год.

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

Паровая машина в действии

Изобретение и развитие

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном из Александрии в первом столетии — это так называемая «баня Герона», или «эолипил». Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Предполагается, что преобразование пара в механическое движение было известно в Египте в период римского владычества и использовалось в несложных приспособлениях.

Первые промышленные двигатели

Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Сейвери в 1698 году . На своё устройство Сейвери в 1698 году получил патент. Это был поршневой паровой насос, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы двигателя иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его «другом рудокопа».

Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель», который был первым паровым двигателем, на который мог быть коммерческий спрос. Это был усовершенствованный паровой двигатель Сейвери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Ньюкомен, возможно, базировался на описании экспериментов Папена, находящихся в Лондонском королевском обществе , к которым он мог иметь доступ через члена общества Роберта Гука , работавшего с Папеном.

Схема работы паровой машины Ньюкомена.
– Пар показан лиловым цветом, вода — синим.
– Открытые клапаны показаны зелёным цветом, закрытые — красным

Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Клапаны ранних двигателей Ньюкомена открывались и закрывались вручную. Первым усовершенствованием было автоматизация действия клапанов, которые приводились в движение самой машиной. Легенда рассказывает, что это усовершенствование было сделано в 1713 году мальчиком Хэмфри Поттером, который должен был открывать и закрывать клапаны; когда это ему надоедало, он связывал рукоятки клапанов верёвками и шёл играть с детьми. К 1715 году уже была создана рычажная система регулирования, приводимая от механизма самого двигателя.

Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.

Хэмфри Гэйнсборо в 1760-ых годах построил модель паровой машины с конденсатором. В 1769 году шотландский механик Джеймс Уатт (возможно, использовав идеи Гейнсборо) запатентовал первые существенные усовершенствования к вакуумному двигателю Ньюкомена, которые сделали его значительно более эффективным по расходу топлива. Вклад Уатта заключался в отделении фазы конденсации вакуумного двигателя в отдельной камере, в то время как поршень и цилиндр имели температуру пара. Уатт добавил к двигателю Ньюкомена ещё несколько важных деталей: поместил внутрь цилиндра поршень для выталкивания пара и преобразовал возвратно-поступательное движения поршня во вращательное движение приводного колеса.

На основе этих патентов Уатт построил паровой двигатель в Бирмингеме . К 1782 году паровой двигатель Уатта оказался более чем в 3 раза производительнее машины Ньюкомена. Повышение эффективности двигателя Уатта привело к использованию энергии пара в промышленности. Кроме того, в отличие от двигателя Ньюкомена, двигатель Уатта позволил передать вращательное движение, в то время как в ранних моделях паровых машин поршень был связан с коромыслом, а не непосредственно с шатуном. Этот двигатель уже имел основные черты современных паровых машин.

Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления (американец Оливер Эванс и англичанин Ричард Тревитик). Р.Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм , или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования.

Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем . Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход , построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7-8 миль в час . Пароход Дж. Фитча не был коммерчески успешным, поскольку с его маршрутом конкурировала хорошая сухопутная дорога. В 1802 году шотландский инженер Уильям Симингтон построил конкурентоспособный пароход, а в 1807 году американский инженер Роберт Фултон использовал паровой двигатель Уатта для привода первого коммерчески успешного парохода. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив , построенный Ричардом Тревитиком.

Паровые машины с возвратно-поступательным движением

Двигатели с возвратно-поступательным движением используют энергию пара для перемещения поршня в герметичной камере или цилиндре. Возвратно-поступательное действие поршня может быть механически преобразовано в линейное движение поршневых насосов или во вращательное движение для привода вращающихся частей станков или колёс транспортных средств.

Вакуумные машины

Ранние паровые машины назывались вначале «огневыми машинами», а также «атмосферными » или «конденсирующими» двигателями Уатта. Они работали на вакуумном принципе и поэтому известны также как «вакуумные двигатели». Такие машины работали для привода поршневых насосов , во всяком случае, нет никаких свидетельств о том, что они использовались в иных целях. При работе паровой машины вакуумного типа в начале такта пар низкого давления впускается в рабочую камеру или цилиндр. Впускной клапан после этого закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. В двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр, и конденсат сбегает в сборник конденсата. Таким образом создаётся вакуум в цилиндре. Атмосферное давление в верхней части цилиндра давит на поршень, и вызывает его перемещение вниз, то есть рабочий ход.

Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. В году появилась версия паровой машины, созданная Уаттом в сотрудничестве с Мэттью Боултоном, основным нововведением которой стало вынесение процесса конденсации в специальную отдельную камеру (конденсатор). Эта камера помещалась в ванну с холодной водой, и соединялась с цилиндром трубкой, перекрывающейся клапаном. К конденсационной камере была присоединена специальная небольшая вакуумная помпа (прообраз конденсатного насоса), приводимая в движение коромыслом и служащая для удаления конденсата из конденсатора. Образовавшаяся горячая вода подавалась специальным насосом (прообразом питательного насоса) обратно в котёл. Ещё одним радикальным нововведением стало закрытие верхнего конца рабочего цилиндра, в верхней части которого теперь находился пар низкого давления. Этот же пар присутствовал в двойной рубашке цилиндра, поддерживая его постоянную температуру. Во время движения поршня вверх этот пар по специальным трубкам передавался в нижнюю часть цилиндра, для того, чтобы подвергнуться конденсации во время следующего такта. Машина, по сути, перестала быть «атмосферной», и её мощность теперь зависела от разницы давлений между паром низкого давления и тем вакуумом, который удавалось получить. В паровой машине Ньюкомена смазка поршня осуществлялась небольшим количеством налитой на него сверху воды, в машине Уатта это стало невозможным, поскольку в верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку смесью тавота и нефти. Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.

Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничение их эффективности, были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII века . Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора. Максимальный теоретический КПД был ограничен относительно малой разницей температур по обе стороны поршня; это делало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими.

Сжатие

Выпускное окно цилиндра паровой машины перекрывается несколько раньше, чем поршень доходит до своего крайнего положения, что оставляет в цилиндре некоторое количество отработанного пара. Это означает, что в цикле работы присутствует фаза сжатия, формирующая так называемую «паровую подушку» , замедляющую движение поршня в его крайних положениях. Кроме того, это устраняет резкий перепад давления в самом начале фазы впуска, когда в цилиндр поступает свежий пар.

Опережение

Описанный эффект «паровой подушки» усиливается также тем, что впуск свежего пара в цилиндр начинается несколько раньше, чем поршень достигнет крайнего положения, то есть присутствует некоторое опережение впуска. Это опережение необходимо для того, чтобы перед тем, как поршень начнёт свой рабочий ход под действием свежего пара, пар успел бы заполнить то мёртвое пространство, которое возникло в результате предыдущей фазы, то есть каналы впуска-выпуска и неиспользуемый для движения поршня объем цилиндра.

Простое расширение

Простое расширение предполагает, что пар работает только при расширении его в цилиндре, а отработанный пар выпускается напрямую в атмосферу или поступает в специальный конденсатор. Остаточное тепло пара при этом может быть использовано, например, для обогрева помещения или транспортного средства, а также для предварительного подогрева воды, поступающей в котёл.

Компаунд

В процессе расширения в цилиндре машины высокого давления температура пара падает пропорционально его расширению. Поскольку теплового обмена при этом не происходит (адиабатический процесс), получается, что пар поступает в цилиндр с большей температурой, чем выходит из него. Подобные перепады температуры в цилиндре приводят к снижению эффективности процесса.

Один из методов борьбы с этим перепадом температур был предложен в 1804 году английским инженером Артуром Вульфом, который запатентовал Компаундную паровую машину высокого давления Вульфа . В этой машине высокотемпературный пар из парового котла поступал в цилиндр высокого давления, а после этого отработанный в нем пар с более низкой температурой и давлением поступал в цилиндр (или цилиндры) низкого давления. Это уменьшало перепад температуры в каждом цилиндре, что в целом снижало температурные потери и улучшало общий коэффициент полезного действия паровой машины. Пар низкого давления имел больший объём, и поэтому требовал большего объёма цилиндра. Поэтому в компаудных машинах цилиндры низкого давления имели больший диаметр (а иногда и большую длину) чем цилиндры высокого давления.

Такая схема также известна под названием «двойное расширение», поскольку расширение пара происходит в две стадии. Иногда один цилиндр высокого давления был связан с двумя цилиндрами низкого давления, что давало три приблизительно одинаковых по размеру цилиндра. Такую схему было легче сбалансировать.

Двухцилиндровые компаундные машины могут быть классифицированы как:

Перекрёстный компаунд — Цилиндры расположены рядом, их паропроводящие каналы перекрещены.
Тандемный компаунд — Цилиндры располагаются последовательно, и используют один шток.
Угловой компаунд — Цилиндры расположены под углом друг к другу, обычно 90 градусов, и работают на один кривошип.

После 1880-х годов компаундные паровые машины получили широкое распространение на производстве и транспорте и стали практически единственным типом, используемым на пароходах. Использование их на паровозах не получило такого широкого распространения, поскольку они оказались слишком сложными, частично из-за того, что сложными были условия работы паровых машин на железнодорожном транспорте . Несмотря на то, что компаундные паровозы так и не стали массовым явлением (особенно в Великобритании, где они были очень мало распространены и вообще не использовались после 1930-х годов), они получили определённую популярность в нескольких странах.

Множественное расширение

Упрощённая схема паровой машины с тройным расширением.
Пар высокого давления (красный цвет) от котла проходит через машину, выходя в конденсатор при низком давлении (голубой цвет).

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

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

Появление этого типа паровых машин стало особенно актуальным для флота, поскольку требования к размеру и весу для судовых машин были не очень жёсткими, а главное, такая схема позволяла легко использовать конденсатор, возвращающий отработанный пар в виде пресной воды обратно в котёл (использовать солёную морскую воду для питания котлов было невозможно). Наземные паровые машины обычно не испытывали проблем с питанием водой и потому могли выбрасывать отработанный пар в атмосферу. Поэтому такая схема для них была менее актуальной, особенно с учётом её сложности, размера и веса. Доминирование паровых машин множественного расширения закончилось только с появлением и широким распространением паровых турбин. Однако в современных паровых турбинах используется тот же принцип разделения потока на цилиндры высокого, среднего и низкого давления.

Прямоточные паровые машины

Прямоточные паровые машины возникли в результате попытки преодолеть один недостаток, свойственный паровым машинам с традиционным парораспределением. Дело в том, что пар в обычной паровой машине постоянно меняет направление своего движения, поскольку и для впуска и для выпуска пара применяется одно и то же окно с каждой стороны цилиндра. Когда отработанный пар покидает цилиндр, он охлаждает его стенки и парораспределительные каналы. Свежий пар, соответственно, тратит определённую часть энергии на их нагревание, что приводит к падению эффективности. Прямоточные паровые машины имеют дополнительное окно, которое открывается поршнем в конце каждой фазы, и через которое пар покидает цилиндр. Это повышает эффективность машины, поскольку пар движется в одном направлении, и температурный градиент стенок цилиндра остается более или менее постоянным. Прямоточные машины одинарного расширения показывают примерно такую же эффективность, как компаундные машины с обычным парораспределением. Кроме того, они могут работать на более высоких оборотах, и потому до появления паровых турбин часто применялись для привода электрогенераторов, требующих высокой скорости вращения.

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

Паровые турбины

Паровая турбина представляет собой серию вращающихся дисков, закрепленных на единой оси, называемых ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закрепленных на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в нее подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии . Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения).

Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания.

Другие типы паровых двигателей

Применение

Паровые машины могут быть классифицированы по их применению следующим образом:

Стационарные машины

Паровой молот

Паровая машина на старой сахарной фабрике, Куба

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

Машины с переменным режимом, к которым относятся машины металлопрокатных станов , паровые лебёдки и подобные устройства, которые должны часто останавливаться и менять направление вращения.
Силовые машины, которые редко останавливаются и не должны менять направление вращения. Они включают энергетические двигатели на электростанциях , а также промышленные двигатели, использовавшиеся на заводах, фабриках и на кабельных железных дорогах до широкого распространения электрической тяги. Двигатели малой мощности используются на судовых моделях и в специальных устройствах.

Паровая лебёдка в сущности является стационарным двигателем, но установлена на опорной раме, чтобы её можно было перемещать. Она может быть закреплена тросом за якорь и передвинута собственной тягой на новое место.

Транспортные машины

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

Сухопутные транспортные средства:
- Паровой автомобиль
- Паровой трактор
- Паровой экскаватор, и даже
Паровой самолёт.

В России первый действующий паровоз был построен Е. А. и М. Е. Черепановыми на Нижне-Тагильском заводе в 1834 году для перевозки руды. Он развивал скорость 13 вёрст в час и перевозил более 200 пудов (3,2 тонны) груза. Длина первой железной дороги составляла 850 м.

Преимущества паровых машин

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

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

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

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

Коэффициент полезного действия

Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл) от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более.

Принцип работы паровой машины схема. Принцип и механизм работы паровой машины двойного действия. Самоучка Оливер Эванс и его амфибия

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

Я живу только на угле и воде и все еще обладаю достаточной энергией, чтобы разогнаться до 100 миль в час! Это именно то, что может сделать паровоз. Хотя эти гигантские механические динозавры в настоящее время вымерли на большей части мировых железных дорог, паровые технологии живут в сердцах людей, и локомотивы, подобные этому, до сих пор служат туристическими достопримечательностями на многих исторических железных дорогах.

Первое современные паровые машины были изобретены в Англии в начале 18 века и ознаменовали начало Промышленной Революции.

Сегодня мы вновь возвращаемся к энергии пара. Из-за особенностей конструкции в процессе сгорания топлива паровой двигатель дает меньше загрязнений, чем двигатель внутреннего сгорания. В данной публикации на видео посмотрите, как он работает.

Конструкция и механизм действия паровой машины

Что питало старинный паровой двигатель?

Требуется энергия, чтобы делать абсолютно все, о чем вы только можете подумать: кататься на скейтборде, летать на самолете, ходить в магазины или водить машину по улице. Большая часть энергии, которую мы используем для транспортировки сегодня, поступает из нефти, но это было не всегда так. До начала 20-го века уголь был любимым топливом в мире, и он приводил в движение все: от поездов и кораблей до злополучных паровых самолетов, изобретенных американским ученым Сэмюэлем П. Лэнгли, ранним конкурентом братьев Райт. Что такого особенного в угле? Внутри Земли его много, поэтому он был относительно недорогим и широко доступным.

Уголь является органическим химическим веществом, что означает, что он основан на элементе углерода. Уголь образуется в течение миллионов лет, когда останки мертвых растений закапывают под камнями, сжимают под давлением и варят под действием внутреннего тепла Земли. Вот почему это называется ископаемое топливо. Комки угля – это действительно комки энергии. Углерод внутри них связан с атомами водорода и кислорода соединениями, называемыми химическими связями. Когда мы сжигаем уголь на огне, связи распадаются, и энергия выделяется в форме тепла.

Уголь содержит примерно вдвое меньше энергии на килограмм, чем более чистое ископаемое топливо, такое как бензин, дизельное топливо и керосин – и это одна из причин, по которой паровые двигатели должны сжигать так много.

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.

Паровозы, устройство которых на фоне других технологий сегодня является примитивным, до сих пор применяются в некоторых странах. Они представляют собой автономные локомотивы, использующие в качестве двигателя паровую машину. Самые первые подобные локомотивы появились в XIX веке и сыграли ключевую роль в становлении экономики целого ряда стран.

Устройство паровоза постоянно совершенствовалось, в результате чего появлялись новые конструкции, которые сильно отличались от классической. Так возникли модели с шестернями, турбинами, без тендера.

Принцип работы и устройство паровоза

Несмотря на то, что существуют разные модификации конструкций этого транспорта, все они имеют три основные части:

паровую машину;
котел;
экипаж.

В паровом котле получают пар — именно этот агрегат является первичным источником энергии, а пар — основным рабочим телом. В паровой машине оно преобразуется в возвратно-поступательное механическое движение поршня, которое в свою очередь при помощи кривошипно-шатунного механизма трансформируется во вращательное. Благодаря этому колеса паровоза вращаются. Также пар приводит в движение паровоздушный насос, паротурбогенератор и используется в свистке.

Экипаж машины состоит из ходовой части и рамы и представляет собой передвижное основание. Эти три элемента являются основными в устройстве паровоза. Также к машине может примыкать тендер — вагон, который служит хранилищем угля (топлива) и воды.

Паровой котел

При рассмотрения устройства и принципа работы паровоза начинать нужно с котла, так как это первичный источник энергии и главный компонент данной машины. К этому элементу предъявляются определенные требования: надежность и безопасность. Давление пара в установке может достигать 20 атмосфер и более, что делает его практически взрывчаткой. Нарушение работы какого-либо элемента системы может привести к взрыву, что лишит машину источника энергии.

Также данный элемент должен быть удобным в управлении, ремонте, обслуживании, быть гибким, то есть уметь работать с разным топливом (более или менее мощным).

Топка

Основной элемент котла — топка, где сжигают твердое топливо, которое подается при помощи углеподатчика. Если же машина работает на жидком топливе, то его подают через форсунки. Выделяемые в результате сгорания высокотемпературные газы передают тепло через стенки огненной коробки воде. Затем газы, отдав большую часть тепла на испарение воды и нагрев насыщенного пара, выводятся в атмосферу через дымовую трубу и искрогасительное устройство.

Образованный в котле пар аккумулируется в колпаке-сухопарнике (в верхней части). При достижении давления пара свыше 105 Па, специальный предохранительный клапан его сбрасывает, выпуская избыток в атмосферу.

Горячий пар под давлением подается через трубы к цилиндрам паровой машины, где он давит на поршень и шатунно-кривошипный механизм, приводя ко вращению ведущей оси. Отработанный пар поступает в дымовую трубу, создавая разрежение в дымовой коробке, что увеличивает поступление воздуха в топку котла.

Схема работы

То есть, если описывать принцип работы обобщенно, все кажется исключительно простым. Как выглядит схема устройства паровоза, можно увидеть и на фото, размещенном в статье.

В паровом котле сжигается топливо, которое нагревает воду. Вода преобразовывается в пар, и, по мере нагрева, давление пара в системе увеличивается. Когда оно достигает высокого значения, то его подают в цилиндр, где располагаются поршни.

За счет давления на поршни осуществляется вращение оси, и колеса приводятся в движение. Излишки пара выбрасываются в атмосферу через специальный предохранительный клапан. Кстати, роль последнего исключительно важна, ведь без него котел разорвало бы изнутри. Вот так выглядит устройство котла паровоза.

Преимущества

Как и другие типы обладают определенными достоинствами и недостатками. Плюсы следующие:

Простота конструкции. Из-за несложного устройства паровой машины паровоза и его котла, наладить производство на машиностроительных и металлургических заводах было несложно.
Надежность в работе. Упомянутая простота конструкции обеспечивает высокую надежность работы всей системе. Ломаться практически нечему, из-за чего паровозы работают в течение 100 и более лет.
Мощная тяга при трогании.
Возможность использования разных видов топлива.

Ранее было такое понятие как «всеядность». Оно применялось к паровозам и определяло возможность использовать древесину, торф, уголь, мазут в качестве топлива для этой машины. Иногда локомотивы отапливали отходами производства: разными опилками, зерновой шелухой, щепой, бракованным зерном, отслужившими смазочными материалами.

Конечно, тяговые возможности машины при этом снижались, однако это в любом случае позволяло экономить солидные средства, так как классический уголь стоит дороже.

Недостатки

Без недостатков тоже не обошлось:

Низкий КПД. Даже на самых совершенных паровозах КПД составлял 5-9%. Это и логично, учитывая невысокий КПД самой паровой машины (около 20%). Неэффективность сгорания топлива, большие теплопотери при передаче тепла пара от котла к цилиндрам.
Необходимость в огромных запасах топлива и воды. Особенно актуальной эта проблема становилась при эксплуатации машин в условиях засушливой местности (в пустынях, к примеру), где сложно раздобыть воду. Конечно, немного позже придумали паровозы с конденсацией отработанного пара, однако это не решало проблему полностью, а лишь упрощало ее.
Пожароопасность, объясняемая открытым огнем сгорающего топлива. Этого недостатка нет на бестопочных паровозах, но дальность их следования ограничена.
Дым и копоть, выбрасываемая в атмосферу. Серьезной эта проблема становится при движении паровозов в черте населенных пунктов.
Тяжелые условия для бригады, которая обслуживает машину.
Трудоемкость ремонта. Если в паровом котле что-то выходит из строя, то ремонт осуществляется долго и требует вложения средств.

Несмотря на недостатки, паровозы очень ценились, так как их использование существенно подняло уровень промышленности в разных странах. Конечно, сегодня применение подобных машин не актуально, в силу наличия более современных двигателей внутреннего сгорания и электродвигателей. Тем не менее, именно паровозы положили начало созданию железнодорожного транспорта.

В заключение

Теперь вы знаете устройство двигателя паровоза, его особенности, плюсы и минусы эксплуатации. Кстати, сегодня на железнодорожных магистралях слаборазвитых стран (например, на Кубе) эти машины до сих пор применяются. До 1996 года они использовались и в Индии. В европейских странах, США, России этот вид транспорта существует лишь в виде памятников и музейных экспонатов.

Паровой двигатель

Сложность изготовления: ★★★★☆

Время изготовления: Один день

Подручные материалы: ████████░░ 80%

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.

Дополнительно покрываем все швы эпоксидной смолой для лучшей герметичности.

Как сделать поршень с шатуном

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

Спицу с двух концов подклеиваем, чтобы не выпала.

Шатун треугольника

Треугольник и золотник

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

Какую роль в истории авиации сыграл паровой двигатель? — Одиннадцатая олимпиада (2013/14 уч.

год) — Архив работ — Каталог статей

Имя: Панин Сергей Игоревич
Возраст: 16

Место учёбы: г. Сердобск , школа№10

Город: Сердобск

Руководитель:(Ф.И.О.,место работы) Ковальский Станислав Владиславович педагог дополнительного образования авиамодельного объединения «Вираж»города Сердобска.

Историко-исследовательская работа по теме:какую роль в истории авиации сыграл паровой двигатель?

План.
1.Значение паровых машин
2.Принцип действия
3.Изобретение и развитие
4.Паровые турбины
5.Преимущества паровых машин
6.Первые самолеты с паровым двигателем
7.Заключение

Введение:
Я решил взять тему : «Какую роль в истории авиации сыграл паровой двигатель?», потому что тема очень интересна , и мне захотелось по больше узнать о паровых двигателях .

Цель: показать применение паровых двигателей в самолетостроении на первых порах развития.

Значение паровых машин:

Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Поздние паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами и электромоторами.
Паровые турбины являющиеся разновидностью паровых машин, до сих пор широко используются в качестве приводов генераторов электроэнергии. Примерно 86 % электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с использованием паровых турбин.

Принцип действия:

Для привода паровой машины необходим паровой котёл, в котором пар расширяется и давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям. Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива — от кизяка до урана.

Изобретение и развитие:

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял его вращаться. Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским философом, астрономом и инженером XVI века Таки ад-Дином Мухаммедом. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.
Однако дальнейшее развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики двигателей могли бы воспользоваться их результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения. Первая машина была создана испанским изобретателем Иеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т. Севери. Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 году англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 году он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан. Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной. Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-х в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 году создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала, как демонстрационная модель, но для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла, проложив таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. Однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил. Папен также проектировал лодку, приводимую в движение колесом с реактивной силой в комбинации концепций Таки ад-Дина и Севери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.
Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Севери в 1698 году. На своё устройство Севери в 1698 году получил патент. Это был поршневой паровой насос, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы двигателя иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его «другом рудокопа».
Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Именно двигатель Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение, с которым принято связывать начало промышленной революции в Англии.
Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.
Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления. Тревитик успешно построил промышленные однотактные двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм, или 345 кПа. Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования. Французский изобретатель Николя-Жозеф Кюньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией и Берлингтоном. Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7—8 узлов. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком.

Паровые турбины

Основная статья: Паровая турбина
Паровая турбина представляет собой барабан либо серию вращающихся дисков, закреплённых на единой оси, их называют ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закреплённых на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в неё подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии. Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса.
Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания.
Основной сферой применения паровых турбин является выработка электроэнергии, кроме того, они часто используются в качестве судовых двигателей. Было также построено некоторое количество паротурбовозов, но они не получили широкого распространения и были быстро вытеснены тепловозами и электровозами.

Преимущества паровых машин :

Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины. Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового Океана на разных глубинах.
Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга, которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.
Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов.
В Швейцарии и в Австрии новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) 1930-х годов, со множеством современных усовершенствований, таких, как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т. д. В результате такие паровозы имеют на 60 % меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами.
Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса. При этом паровая машина паровоза продолжает развивать тяговое усилие даже в случае остановки колёс, чем отличается от всех других видов двигателей, используемых на транспорте.

Первые самолеты с паровым двигателем :

Феликс де Тампль.
В середине XIX столетия француз построил первый самолет с паровым двигателем. Именно в 1850 — 1860 годы появляются первые компактные паровые двигатели, что и позволило Феликсу де Тамплю построить не модель, а первый настоящий самолет. Установленная на самолете паровая машина имела два качающихся цилиндра, штоки, которых соединялись с валом пропеллера, и трубчатый котел конструкции дю Тампля. Котел отапливался нефтью и мог генерировать пар под давлением 8 атм. Вес двигателя составлял 59 кг. На валу двигателя был установлен шести лопастной пропеллер, сделанный, как и крыло, из стальных труб, обтянутых шелком. Двигатель, вал и винт, представлявшие собой единый агрегат, могли поворачиваться в вертикальной плоскости относительно фюзеляжа, позволяя управлять направлением тяги в полете. Поворот осуществлялся с помощью зубчато-червячной передачи и штурвальчика. Однако малая мощность парового двигателя — 4 л.с. и большой вес аппарата — 260 кг, не позволили ему оторваться от земли.

Клемент Адер.
В 70–х годах 19 века, заинтересовавшись возможностью создания летательного аппарата тяжелее воздуха, Адер создал ряд оригинальных аппаратов, в основу которых был положено устройство крыла летучей мыши. Силовой установкой для этих самолетов служила паровая машина, а тягу создавал четырех лопастной пропеллер. В 1890 году Адером был изготовлен самолет «Эол». Наиболее совершенным агрегатом «Эола» был двигатель. Адеру удалось создать паровую машину с удельным весом всего около 3 кг/л.с. Двигатель мощностью 20 л.с. с двойным расширением пара имел два цилиндра. Он был выполнен из кованой стали и, для максимального снижения веса все, что возможно, было сделано полым внутри. Водотрубный котел отапливался спиртом. При испытании самолет Адера после разбега оторвался от земли и находился в воздухе около 5 с на высоте 0,5-1 м. Это было знаменательное событие в истории авиации: впервые самолет осуществил взлет с горизонтальной поверхности за счет мощности собственного двигателя.

В 1897 году был создан более совершенный «Авион №3». Взлет этого аппарата вошел в историю как первый самостоятельный (без разгона по рампе) полёт аппарата тяжелее воздуха.

Джон Стрингфеллоу.
Английский изобретатель в 1848 году построил модель самолета, ставшую первой успешно взлетавшей. Модель Стрингфеллоу неоднократно испытывалась. Разбег с работающими винтами должен был происходить вдоль наклонно натянутой проволоки. Пройдя определенное расстояние и набрав скорость, модель автоматически отцеплялась и уходила в свободный полет. В связи с тем, что аппарат не имел шасси, была предусмотрена специальная полотняная ловушка для подхвата модели при посадке. Она совершила свободный полет без снижения на расстояние свыше 35 м.

В 1868 г., после двадцатилетнего перерыва, Стрингфеллоу построил новую модель самолета с паровым двигателем — триплан, которая предназначалась для демонстрации на аэронавтической выставке в Лондоне. На самолете была установлена паровая машина, имевшая выдающиеся для своего времени характеристики. За ее создание на первой авиационной выставке в Хрустальном Дворце изобретатель получил премию в 100 фунтов стерлингов, как за модель, имевшую двигатель с лучшим соотношением мощности к весу. К сожалению эта модель не была полноценно испытана.

Уильям Хэнсон.
В 1842-1843 гг. английский инженер У.Хенсон занимался созданием модели самолета с миниатюрным паровым двигателем. Проект назывался „Воздушная паровая карета».

Сведений о конструкции первой в истории авиации модели самолета сохранилось очень мало. Известно лишь, что она имела монопланное крыло площадью 3,7 м², обтянутое шелком и подкрепленное проволочными растяжками. Вес одноцилиндровой паровой машины вместе с котлом, топливом и водой составлял 2,7 кг. Общий вес модели равнялся 6,3 кг. Опыты с моделью проводилось в 1843 г. в Лондоне в закрытом помещении. Запуск производился с наклонной плоскости. Испытания были неудачны: модель падала сразу же после схода со стартовой рампы.

В 1845 г. У. Хенсон совместно с механиком Д. Стрингфеллоу построил новую модель с паровым двигателем. Этот летательный аппарат был значительно больше модели 1842-1843 гг. Модель имела размах крыльев — 6,1 м, взлетный вес составлял около 12 кг.

Александр Ф. Можайский.
Отставной морской офицер, создатель первого в России реализованного проекта самолета. После выхода в отставку начал исследования механизма полетов птиц и воздушных змеев.

На большом воздушном змее совершил несколько полетов. Можайский подал заявку в патентное ведомство, получил в 1880 году патент на самолет своей конструкции и приступил к его постройке. Практические работы начались в 1881 г. когда Можайский привез из Англии две паровые машины, изготовленные по его проекту, мощностью 20 и 10 лошадиных сил, которые вращали три больших винта. Двигатели работали от одного котла, который отапливался нефтью. Это был расчалочный моноплан с двигателями в фюзеляже и тремя винтами — одним спереди и двумя по бокам, в вырезах крыла. Фюзеляж имел форму лодки с деревянным каркасом и полотняной обшивкой. В нем размещались паровые машины, котел, баки с горючим, сидения для людей, приборы. К верхним краям бортов крепились консоли крыла. Вес составлял около тонны. Взлет предполагалось производить с наклонной рампы. Испытания проходили с 1882 по 1885 годы в Красном Селе около Петербурга.

В докладной записке Главного инженерного управления Военного министерства, составленной в октябре 1884 г., говорилось, что самолет Можайского был «приводим в действие, взбегал вверх по наклонным рельсам, но взлететь не мог». По свидетельству очевидцев в одном из испытаний самолет под управлением механика после пробега по рампе совершил подлет, при приземлении накренился и был разбит. К сожалению, в 1890 году А. Можайский умер, и проект был заброшен. В 1891 г. самолет был убран с военного поля в Красном Селе и дальнейшая судьба его неизвестна.

Хирам Максим.
Уроженец США известен в первую очередь как создатель знаменитого пулемета Максима. Заинтересовавшись авиацией, Максим приступил в 1891 году к созданию своего самолета. Самолет представлял собой гигантскую по тем временам конструкцию, биплан с размахом крыла в 104 фута, приводился в движение двумя двигателями мощностью 180 лошадиных сил, вращавших пятиметровые лопасти. Взлетный вес составлял три с половиной тонны. Самолет разгонялся по рельсам, длиной приблизительно 500 метров. В ходе третьего испытания в 1894 году самолет оторвался от земли на несколько футов, но в этот момент отказал один из двигателей и самолет был разбит. Максим, потративший на эксперименты 20,000 фунтов, потерял интерес к авиации. В 1910 году он сделал еще одну попытку, но безуспешно.

1874 г. английский инженер Т. Мой совместно с механиком Р. Шиллом построили модель парового самолета, вес которой достигал почти 100 кг. Площадь крыльев составляла 10,5 м², мощность мотора — 3 л.с. Этот аппарат имел несколько несущих поверхностей, однако расположены они были не одна над другой, а уступом, одна за другой. Крылья имели бамбуковую основу и были обтянуты полотном. В промежутках между крыльями были размещены два шести лопастных пропеллера диаметром 1,8 м.

С. Ленгли.
Именно им в середине 1890 годов были созданы наиболее совершенные модели самолетов с паровым двигателем. В период с 1891 по 1895 гг. было построено семь больших моделей, получивших название «Аэродром». На «Аэродроме» № 5 была установлена одна паровая машина мощностью 1 л.с., на модели № 6 — две, примерно по 0,4 л.с., с непосредственным приводом на винты. Помимо различий в конструкции силовой установки «Аэродром» № 6 отличался несколько меньшими размерами и меньшим весом планера и паровой машины. Это позволяло брать больший запас топлива и воды. Первый успешный полет модели «Аэродром» № 5 состоялся в 1896 г. Дальность полета превысила 1 км.

Последняя попытка создания самолета с паровым двигателем относится к началу XX в. В 1902 г. Л. Харгрейв в Австралии начал строительство машины, которая должна была взлетать с воды. Гидросамолет должен был иметь один главный и два вспомогательных поплавка. Четырех лопастной пропеллер был размещен впереди переднего крыла. Расчетный вес аппарата — 215 кг. Но из-за отсутствия необходимого двигателя сборка самолета не была завершена.

Ни одна из предпринятых в XIX в. попыток полета на самолете не увенчалась успехом, не удалось создать летающие полноразмерные самолеты с паровым двигателем. Казалось, что систематические неудачи должны были привести к прекращению работ по созданию самолетов. Однако на рубеже XIX и XX вв. был создан удобный в эксплуатации и надежный двигатель внутреннего сгорания.

Братья Бестлер.
Много позже, после успешного полёта братьев Райт, паровой самолёт всё-таки был успешно реализован и испытан братьями Бестлер.

В отличии от самолета Максима аппарат братьев Бестлер был более совершенным. Его первый полет состоялся 12 апреля 1933 в США в штате Калифорния. Поднявшийся над городом Окленд паровой самолет Airspeed 2000 доказал возможность использования парового двигателя в авиации и стал первым паровым самолетом совершившим успешный полет. Это был биплан стандартной схемы с двухцилиндровым паровым двигателем общей мощностью 150 л.с. Благодаря разработанному для него паровому двигателю и продуманной конструкции самолет братьев Бестлер по экономичности и безопасности даже превосходил существующие на тот момент самолеты на двигателях внутреннего сгорания. Конструктивные особенности позволили снизить вибрацию и сделать машину практически бесшумной. Еще одной интересной особенностью парового самолета братьев Бестлер было то, что эффективность двигателя не зависела от высоты и не понижалась как у обычных самолетов. Но, несмотря на все преимущества, самолет так и не пошел в серию. Разработчикам не удалось заинтересовать потенциальных инвесторов, и все работы были свернуты.

Заключение:
Благодаря паровым двигателям авиация сделала рывок вперед в развитии, и послужило основой для применения бензиновых двигателей внутреннего сгорания.

Судовые силовые и энергетические установки (часть 1)

Возможно, первый судовой двигатель появился так. Наш далекий предок, усевшись на упавшее в водный поток бревно, решил переправиться на другой берег реки. Загребая воду ладонями, как веслами, он сочетал в себе и первый двигатель — в одну «человеческую» силу — и первый движитель, которым являлись его руки. Но постепенно люди, изучив законы природы, поставили их себе на службу. Ветер, вода и, наконец, пар отчасти заменили силу мышц. На смену веслам пришел парус, а паруса начала вытеснять машина.

Идея создать паровой двигатель возникла более 2000 лет назад. Греческий ученый Герон, живший в Александрии, сконструировал оригинальную паровую машину. Значительно позже английский механик Джеймс Уатт создал паровую машину, которой суждено было стать первой судовой силовой установкой.

ПАРОХОДЫ

11 августа 1807 года принято считать днем рождения парового судна. В этот день произошло испытание парохода, построенного талантливым американским инженером Робертом Фултоном. Пароход «Клермонт» открыл регулярные рейсы по реке Гудзон между Нью-Йорком и Олбени. В 1838 году британский пароход «Great Eastern» пересек Атлантику, не поднимая парусов, хотя и имел парусное вооружение. Рост промышленности требовал корабли и суда, которые могли бы независимо от воли стихии совершать регулярные рейсы по Атлантическому и Тихому океанам. В XIX веке резко возросли размеры паровых судов, а вместе с ними и мощности паровых машин. К 90-м годам мощность их была доведена до 9000 лошадиных сил.

Постепенно паровые машины становились все более мощными и надежными. Первые судовые силовые установки состояли из поршневой паровой машины и больших маломощных котлов, отапливаемых углем.

Сто лет спустя коэффициент полезного действия (КПД) паровой силовой установки уже равнялся 30 процентам, и развивала мощность до 14720 кВт, а число обслуживающего персонала сократилось до 15 человек. Но малая производительность паровых котлов требовала увеличения их количества.

На грани двух веков паровыми машинами оборудовались в основном пассажирские суда и грузопассажирские корабли, чисто грузовыми судами были только парусники. Это объяснялось несовершенством и малой эффективностью паровой силовой установки того времени.

Применение появившихся в 80-х годах XIX века водотрубных котлов, которые сейчас работают на жидком топливе, улучшило эффективность паровых силовых установок. Но коэффициент полезного действия их достиг всего лишь 15 процентов, чем и объясняется прекращение постройки пароходов. Но в наше время еще можно встретить суда, приводимые в движение поршневыми паровыми машинами это речной пароход «American Queen».

СУДОВЫЕ ПОРШНЕВЫЕ ПАРОВЫЕ МАШИНЫ

поршневой паровой двигатель

В судовых силовых установках с паровыми машинами в качестве рабочего тела используется водяной пар. Поскольку пресную воду на судах можно перевозить только в ограниченном количестве, в данном случае применяют замкнутую систему циркуляции воды и пара. Разумеется, при работе силовой установки возникают определенные потери пара или воды, однако они незначительны и возмещаются водой из цистерны или испарителей. Упрощенная схема такой циркуляции дана на рисунке 1.

принцип действия паровой установки

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПОРШНЕВОЙ ПАРОВОЙ МАШИНЫ

Рабочий пар подается в паровой цилиндр через паровые поршни. Он расширяется, давит на поршень и заставляет его скользить вниз. Когда поршень достигает своей нижней точки, парораспределительный золотник изменяет свое положение. Свежий пар подается под поршень, в то время как пар, заполнявший прежде цилиндр, вытесняется.

Теперь поршень движется в противоположном направлении. Таким образом, поршень совершает во время работы движения вверх и вниз, которые с помощью кривошипно-шатунного механизма, состоящего из штока, ползуна и соединенного с коленчатым валом шатуна, преобразуются во вращательные движения коленчатого вала. Впуск и выпуск свежего и отработавшего пара регулируют клапаном. Клапан приводится в действие от коленчатого вала посредством двух эксцентриков, которые через штанги и шатун соединены с золотниковой штангой.

Перемещение шатуна с помощью переводного рычага вызывает изменение количества пара, заполнившего цилиндр за один подъем поршня, а следовательно, меняются мощность и частота вращения машины. Когда шатун находится в среднем положении, пар уже не входит в цилиндр, и паровая машина прекращает движение. При дальнейшем перемещении шатуна с помощью переводного рычага машина снова приводится в движение, на этот раз в противоположном направлении.

Это обусловливает обратное движение судового движителя.

В первых судовых силовых установках применяли поршневые паровые машины, в которых расширение от входного до выходного давления и до давления в конденсаторе происходило в одном цилиндре. Принцип действия поршневой паровой машины показан на рисунке 2. Со временем стали применять машины многоступенчатого расширения. Принцип действия машины трехступенчатого расширения схематично показан на рисунке 3.

поршневая паровая машина

поршневая паровая машина трехкратного росширения

ЭЛЕКТРОХОДЫ

В 1838 году жители Петербурга могли наблюдать, как по Неве двигалась небольшая лодка без парусов, весел и трубы. Это и был первый в мире электроход, построенный академиком Б. С. Якоби. Моторы судна потребляли энергию от аккумуляторных батарей. Изобретение ученого почти на целый век опередило мировую судостроительную науку. Но практическое применение на судах этот двигатель получил только на подводных лодках для движения в подводном положении. К недостаткам электроходов относят относительную сложность силовой установки.

ТУРБОХОДЫ

судно «Turbinia»

Применение турбины в качестве главного двигателя нашло себя на судне под названием «Turbinia» водоизмещением 45 тонн, которое было спущено на воду в Англии конструктором Чарльзом Парсонсом.

Многоступенчатая паротурбинная установка состояла из паровых котлов и трех турбин, напрямую соединенных с гребным валом. На каждом гребном вале находилось по три гребных винта (система тандем). Общая мощность турбин составляла 2000 л. с. при 200 оборотов в минуту. В 1896 году во время ходовых испытаний судно «Turbinia» развило скорость 34,5 узла.

Военные моряки по достоинству оценили появление новой силовой установки.

Турбину начали устанавливать на линкоры и броненосцы, а со временем стал главным двигателем почти всех пассажирских судов.

В середине XX века началась конкурентная борьба между паротурбинными и дизельными силовыми установками за применение их на больших судах для транспортировки объемных грузов, в том числе и танкерах. Первоначально на судах дедвейтом до 40000 тонн преобладали паротурбинные силовые установки, но стремительное развитие двигателей внутреннего сгорания привело к тому, что некоторые корабли и суда водоизмещением более 100000 тонн и в настоящее время оборудуются дизельными силовыми установками. Паротурбинные установки сохранились даже на крупных боевых кораблях, а также на быстроходных и больших контейнеровозах, когда мощность главного двигателя составляет 40000 л. с. и более.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СУДОВОЙ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ

паровая турбина мощностью 20000 л. с.

Паровая турбина относится к силовым установкам, в которых тепловая энергия подведенного пара изначально превращается в кинетическую, а только после этого используется для работы.

Паровые турбины являются гидравлическими тепловыми двигателями, у которых в отличие от поршневых паровых машин и поршневых двигателей внутреннего сгорания не требуется преобразовывать возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение гребного винта. За счет этого упрощается конструкция, и решаются многие технические проблемы. Кроме того, паровые турбины даже при очень большой мощности имеют сравнительно небольшие размеры, так как частота вращения ротора довольно высока и в зависимости от типа и назначения турбины составляет от 3000 до 8000 оборотов в минуту.

Использование кинетической энергии для совершения механической работы происходит следующим образом. Выходящий из расширительных устройств пар попадает на вогнутые профили лопаток, отклоняется от них, изменяет свое направление и за счет этого воздействует тангенциальной силой на ротор. В результате создается вращающий момент, который вызывает вращение ротора турбины.

Современные паровые турбины судовой силовой установки состоят обычно из двух корпусов. В одном корпусе находится ротор турбины высокого давления, а в другом — низкого. Каждая турбина состоит из нескольких ступеней, которые в зависимости от вида турбины обозначаются как ступени давления или ступени скорости. Рабочий пар последовательно проходит через неподвижные венцы расширительных устройств и венцы рабочих лопаток. Так как объем пара во время процесса расширения постоянно увеличивается, рабочие лопатки по мере падения давления должны быть длиннее.

В корпусе турбины низкого давления находятся особые венцы рабочих лопаток турбины заднего хода. Турбины главной энергетической установки на судах, гребные винты которых имеют изменяющийся шаг, не нуждаются в турбинах заднего хода. Наряду с турбинами главной энергетической установки в машинных отделениях судов устанавливают вспомогательные турбины, которые служат для привода генераторов, насосов, вентиляторов и т. д. Принцип действия ступени паровой турбины показан на рисунке 4.

судовая паровая турбина

В коммерческом флоте паровая турбина получила признание только после ее применения на лайнерах «Lusitania», «Мавритания» и «Aquitania» построенные в 1907 году. Эти круизные лайнеры с легкостью развивали скорость 26 узлов. Голубую ленту Атлантики — пассажирское судно «Мавритания» сохраняло за собой на протяжении 20 лет.

ТУРБОЭЛЕКТРОХОДЫ

Силовой установкой, состоящей из парового котла, турбины, генератора и электромотора, были оснащены турбоэлектроходы. Широкое применение они нашли в США. Со временем тяжелые электрогенераторы и электродвигатели постепенно были вытеснены редукторами.

Значительный интерес вызвала постройка турбоэлектрохода «Канберра». Весовые показатели не остановили конструкторов. Было подсчитано, что при мощностях от 75000 до 100000 л. с. потери энергии при применении переменного тока соизмерим с потерями в редукторе и гидравлической передаче, а отказ от ступеней заднего хода даже увеличил экономические показатели силовой установки. Как правило, турбоэлектроходами считаются только крупные суда, чаще — пассажирские.

При меньших мощностях более целесообразно применять редукторные передачи, потери в которых составляют лишь 1,5 — 4 процента.

AfrikaansAlbanianArabicArmenianAzerbaijaniBasqueBelarusianBulgarianCatalanChinese (Simplified)Chinese (Traditional)CroatianCzechDanishDetect languageDutchEnglishEstonianFilipinoFinnishFrenchGalicianGeorgianGermanGreekHaitian CreoleHebrewHindiHungarianIcelandicIndonesianIrishItalianJapaneseKoreanLatinLatvianLithuanianMacedonianMalayMalteseNorwegianPersianPolishPortugueseRomanianRussianSerbianSlovakSlovenianSpanishSwahiliSwedishThaiTurkishUkrainianUrduVietnameseWelshYiddish⇄AfrikaansAlbanianArabicArmenianAzerbaijaniBasqueBelarusianBulgarianCatalanChinese (Simplified)Chinese (Traditional)CroatianCzechDanishDutchEnglishEstonianFilipinoFinnishFrenchGalicianGeorgianGermanGreekHaitian CreoleHebrewHindiHungarianIcelandicIndonesianIrishItalianJapaneseKoreanLatinLatvianLithuanianMacedonianMalayMalteseNorwegianPersianPolishPortugueseRomanianRussianSerbianSlovakSlovenianSpanishSwahiliSwedishThaiTurkishUkrainianUrduVietnameseWelshYiddish

English (auto-detected) » Russian

Паровая машина, ее принципы, ее развитие, ее.

Текущее состояние и его будущее совершенство на JSTOR Перейти к основному содержанию Есть доступ к библиотеке? Войдите через свою библиотеку

Весь контент Картинки

Поиск JSTOR Регистрация Вход

Поиск
- Расширенный поиск
- Изображения
Просматривать
- По тематике
  Журналы и книги
- По названию
  Журналы и книги
- Издатели
- Коллекции
- Изображения
Инструменты
- Рабочее пространство
- Анализатор текста
- Серия JSTOR Understanding
- Данные для исследований

О Служба поддержки

История индикатора парового двигателя — Коллекционер фермы

Брюс Л.

Бэбкок

1 / 17

Ранний индикатор паровой машины

2 / 17

Рисунок 1: Форма индикатора Ватта, предложенная Крофтом.

Из «Принципов и практики паровых двигателей» Террелла Крофта.

3 / 17

Рисунок 2: Индикатор Джеймса Ватта.

Иллюстрация Брюса Э.Бэбкок

4 / 17

Рисунок 3: Расположение портов индикатора на тяговом двигателе J. I. Case.

Иллюстрация Брюса Э. Бэбкока

5 / 17

Рисунок 5: Индикатор Макнота.

Из «Индикатора парового двигателя и его устройств» Уильяма Хоуталинга.

6 / 17

Рисунок 4: Идеализированная индикаторная диаграмма.

Иллюстрация Брюса Э. Бэбкока

7 / 17

Рисунок 6: Индикатор Модслея и Филда.

Из книги «Индикатор и динамометр» Томаса Мейна и Томаса Брауна.

8 / 17

Рисунок 7: Индикатор Ричардса.

Из «Трактата об индикаторе парового двигателя Ричардса» Чарльза Портера.

9 / 17

Рисунок 9: Индикатор пара Tabor, 1878–1900 гг.

10/17

Рисунок 8: Улучшенный индикатор Томпсона.

11 / 17

Рисунок 9: Улучшенный индикатор паровой машины Tabor после 1900 года.

12/17

Рисунок 12: Сокращение движений.

Из книги «Принципы и практика работы парового двигателя» Террелла Крофта.

13 / 17

Рисунок 11: Индикатор высокой скорости Maihak (Bacharach)

Из индикатора двигателя, его конструкции, теории и специальных приложений Калмана Деюхаша.

14/17

Рисунок 10: Внешний пружинный индикатор Crosby с редукционным движением.

Из книги «Принципы и практика работы парового двигателя» Террелла Крофта.

15/17

Рисунок 14: Полярные планиметры.

16 / 17

Рисунок 15: Планиметр с топором.

Из книги «Испытания паровых двигателей», Пол Фровайн.

17 / 17

Рисунок 13: Пантограф, уменьшающий движения.

Из книги «Принципы и практика работы парового двигателя» Террелла Крофта.

❮ ❯

«В руках искусного инженера индикатор подобен стетоскопу врача, раскрывающему секреты работы внутренней системы и обнаруживающему мельчайшие нарушения в незаметно расположенных частях, а также регистрирующему мощность двигателя.” -Уильям Барнет ЛеВан

Изобретение индикатора

Когда механик прикрепляет анализатор двигателя к двигателю вашего автомобиля, он может использовать самое современное оборудование, но то, что он делает, механики делают уже более 200 лет. Первый прибор для анализа работы двигателя и даже записи результатов на бумагу был изобретен незадолго до 1800 года. Большинство авторов приписывают это изобретение Джеймсу Уатту, но другие (Кальман Де Юхас и Музей Виктории и Альберта) приписывают его Джону Саузерн, инженеру, работавшему на Ватта. Этот прибор был назван его изобретателем индикатором парового двигателя, и это имя используется и сегодня. Болтон и Ватт, компания по производству паровых двигателей, в которой работал Саузерн, осознали огромную конкурентную ценность обладания таким инструментом и, следовательно, держали существование изобретения в таком секрете, что даже не пытались получить на него патент. Похоже, что секретность, окружающая индикатор Уатта, пережила Уатта почти на сто лет. Еще в 1900 году Сесил Пибоди в своей книге «Руководство по индикатору паровой машины » заявил, что точная форма исходного индикатора неизвестна, и поэтому он продолжил «рассматривать его с точки зрения формы, приписываемой ему традицией.В большинстве текстов принцип работы индикатора Ватта описывался схемами, подобными рисунку 1. Истинная форма индикатора не была известна до 1906 года, когда Научный отдел Музея Виктории и Альберта в Лондоне (ныне Музей науки) опубликовал фото его в каталоге их коллекции машиностроения. Из каталога следует, что музей не приобретал индикатор до 1890 года. Единственная другая фотография индикатора Ватта, которую я нашел, была в тексте 1934 года « Индикатор двигателя, его конструкция, теория и специальные приложения, », написанном Де Юхасом. .На этой фотографии был индикатор из Музея науки в Лондоне, но не тот индикатор, что изображен в каталоге 1906 года. Однако, похоже, это тот же самый индикатор, который я видел на выставке в 1999 году. Я связался со Смитсоновским институтом в Вашингтоне, округ Колумбия, чтобы узнать, есть ли у них индикатор Ватта, или знали ли они о нем в США. Они ответили, что они не знали ни о каких индикаторах Ватта в США, но у них есть выставленная копия, построенная в музее в 1920-х годах. На рис. 2 показан индикатор ватта.

Итак, что такое индикатор и как он работает?

Индикатор просто записывает на листе бумаги давление в одном конце парового цилиндра, когда поршень двигателя движется от одного конца своего хода к другому и обратно. Чтобы проиллюстрировать это, я воспользуюсь одним из эскизов индикатора Ватта, показанным на рис. 1. Когда золотниковый клапан открывается и впускает пар в цилиндр, давление в цилиндре повышается, и карандаш на вершине поршня поднимается.Если бумага не движется, карандаш будет просто чертить вертикальную линию по мере того, как давление повышается и падает, а также по мере того, как пар впускается, расширяется и выпускается из цилиндра. Однако если бумагу можно заставить двигаться вперед и назад, когда поршень движется вперед и назад, а давление растет и падает, карандаш нарисует диаграмму, показывающую давление в цилиндре в каждой точке хода. Для этого к траверсе двигателя и к доске, к которой прикреплена бумага, просто прикрепляют веревку, чтобы бумага и поршень двигались вместе.Поскольку нецелесообразно перемещать бумагу на расстояние, равное ходу двигателя, используется устройство, известное как «уменьшающее движение», так что бумага перемещается только на четыре-шесть дюймов, даже если ход двигателя составляет несколько ноги. (Подробнее о сокращении движений позже.) Вертикальное движение карандаша ограничивается примерно двумя-тремя дюймами путем выбора соответствующей пружины. На рис. 3 показано расположение портов, к которым такой индикатор можно было бы присоединить к моему двигателю J. I. Case мощностью 45 л.с.

На рис. 4 показана довольно идеализированная диаграмма, похожая на ту, что рисуется карандашом на индикаторе. На этой диаграмме показано давление в цилиндре в различных точках хода. Если двигатель работает с полной нагрузкой, вертикальная линия слева показывает, как повышается давление в цилиндре, когда впускной клапан открывается и поршень находится в конце своего хода. Когда поршень движется вправо, а клапан остается открытым, давление в паропроводе остается максимальным. Если и дроссельная заслонка, и регулирующий клапан широко открыты, это давление лишь немного ниже давления в котле из-за перепада давления в трубах, фитингах, регуляторе и дроссельном клапане.В точке, обозначенной как «отсечка», впускной клапан закрывается, и пар больше не поступает в цилиндр. (Если вы когда-нибудь задумывались, почему паровой двигатель не запускается, если кривошип не находится в определенных квадрантах, то это потому, что в двух квадрантах поршень находится за пределами этой точки отсечки. ) Паровые двигатели работают наиболее эффективно, когда они эффективно используют изогнутая часть диаграммы с пометкой «Расширение». В этой области пар больше не поступает, и двигатель просто извлекает мощность из пара по мере его расширения.(Когда вы «подключаете» рычаг реверса на паровой машине, вы перемещаете точку отсечки влево, чтобы впустить меньше пара и получить больше пользы от расширения пара. Более поздняя отсечка дает больше мощности, когда это необходимо, но вы будете использовать гораздо больше топлива, чтобы получить эту мощность.) В точке, отмеченной «выпуск», выпускной клапан открывается и выпускает весь оставшийся пар. Этот пар выметается из цилиндра по мере того, как поршень движется назад к концу цилиндра, с которого мы начали. Однако, прежде чем он достигнет конца цилиндра, выпускной клапан закрывается до открытия впускного клапана, так что часть пара в цилиндре сжимается, амортизируя поршень, когда он останавливается примерно в то время, когда открывается впускной клапан. .Это сжатие служит двойной цели, так как оно также повышает температуру захваченного пара и цилиндра, тем самым уменьшая конденсацию свежевпущенного пара. Теперь цикл начинается сначала.

Разработка индикатора

Нетрудно представить, насколько ценной была эта информация для инженеров Болтона и Уатта, когда они впервые смогли увидеть, что происходит внутри цилиндров их двигателей. И нетрудно представить себе преимущество, которым они пользовались, пока их конкуренты все еще гадали, как спроектировать и настроить свои клапаны.

Индикатор Макнота

Однако в 1820-х или 1830-х годах англичанин по имени Джон Фейри во время посещения России обнаружил индикатор, прикрепленный к одному из двигателей Болтона и Уатта, и сразу признал его ценность для инженеров. Вернувшись в Англию, он договорился с человеком по имени Уильям Макнот из Глазго, Шотландия, о создании для него индикаторов. По словам ДеЮхаса, Макнот не только построил индикаторы, но и распознал некоторые недостатки индикатора Ватта и внес значительные улучшения в конструкцию, прежде чем начать производство где-то между 1825 и 1830 годами. Эти усовершенствования были необходимы, потому что за годы, прошедшие с момента изобретения индикатора, конструкция паровых двигателей усовершенствовалась до такой степени, что они использовали все более и более высокое давление пара и работали со все более высокими скоростями. Те же условия, которые сделали индикатор Ватта устаревшим, были факторами, которые в конечном итоге обрекли каждый механический индикатор, который был разработан для их преодоления.

Большой вклад Макнота в разработку индикатора заключался в замене плоской доски, удерживающей бумагу, или «карту», как ее называли, вращающимся барабаном.Индикатор McNaught показан на рисунке 5, а аналогичный индикатор, сделанный примерно в то же время Модслеем и Филдом, показан на рисунке 6. По мере увеличения частоты вращения двигателя инерция всех компонентов индикатора становилась все более важной. Вращающийся барабан можно было бы сделать намного легче и, следовательно, его можно было бы ускорять, замедлять и поворачивать гораздо легче, чем громоздкую доску. Вращающийся барабан был особенностью каждого механического индикатора, который был построен в следующем столетии или даже раньше, пока оптические и электрические инструменты не сделали механические устройства устаревшими.Подобно тому, как устройство Макнота заменило индикатор Ватта, потому что оно могло работать с более высоким давлением и скоростью, электронные и оптические устройства в конечном итоге заменили механические устройства по тем же причинам, Чарльз Портер сообщил, что в 1862 году «индикаторы Макнота и Хопкинсона были общими». использования в Англии: один или оба из них можно было найти в машинных отделениях большинства заводов и производственных предприятий» (это единственное упоминание об индикаторе Гопкинсона, которое я нашел).С., «Компания Novelty Iron Works произвела очень мало индикаторов McNaught, почти единственными пользователями которых были военно-морское министерство и несколько человек, таких как мистер Эрикссон, мистер Стивенс, мистер Сикелс и мистер Корлисс». Индикатор Макнота был способен справляться с постоянно растущими скоростями и давлением в течение нескольких лет, но кажется, что индикатор начал выходить из употребления на новых двигателях примерно в 1850-х годах из-за его неспособности обеспечить точные карты при скоростях и давлениях, которые приближались. в игру. (Каталог Виктории и Альберта дает ранний пример того, как повышенное давление повлияло на дизайн индикаторов, когда Уотт и Ко.пришлось преобразовать крепление своих индикаторов в резьбовые соединения, а не в простые конические вилки и гнезда, потому что конические фитинги имели тенденцию вылетать из ответных фитингов.) Самая большая проблема с индикатором McNaught заключалась в том, что на высоких скоростях пружина имеют тенденцию продолжать подпрыгивать вверх и вниз, а не следовать за изменениями давления в цилиндре.

Индикатор Ричардса

В 1860 году Портер, конструктор паровой машины Портера-Аллена, и губернатор Портера наняли Чарльза Т.Ричардс разрабатывает новый индикатор

, который мог бы давать точные результаты для высокоскоростных двигателей, которые он проектировал и строил. Первый индикатор конструкции Ричардса был построен заводом Novelty Iron Works и 13 сентября 1861 года впервые был использован на двигателе Allen, работающем со скоростью 160 об / мин. Индикатор Ричардса показан на рисунке 7. Большим прорывом в индикаторе Ричардса стало использование точного набора рычагов для увеличения движения карандаша. При таком расположении ход поршня можно было уменьшить до хода карандаша.Поскольку поршень является самой тяжелой движущейся частью индикатора, важно максимально ограничить его ход. Комбинация хода поршня сортировки и гораздо более жесткой пружины устранила подпрыгивание карандаша при колебаниях давления. Одной из основных трудностей при разработке этой конструкции было требование, чтобы карандаш двигался по прямой линии, а не по дуге, поскольку давление колебалось. Если бы карандаш был просто на конце рычага, его траектория была бы дугой, и диаграмма была бы искаженной.Эта проблема была решена за счет использования устройства, называемого лемнискоидным движением. На рисунке 7 карандаш расположен за винтом рядом с «0» на шкале. Индикатор Ричардса был прототипом всех механических индикаторов, которые были построены, пока их производство не было прекращено в двадцатом веке. Портер купил права Ричардса на индикатор за 100 долларов плюс 10 процентов будущих доходов. Сам Ричардс не хотел патентовать устройство, говоря: «Если я запатентую все, о чем думаю, то скоро окажусь в богадельне.

Зимой 1862–1863 годов Портер заключил семилетний контракт с производителем приборов Elliott Brothers на производство нового индикатора, и к 1876 году они произвели более 10 000 штук. Примерно в 1870 году Портер продал патентные права, и, к его большому разочарованию, новый владелец, узнав, что у Портера нет письменного соглашения с Ричардсом относительно соглашения о 10%, так и не заплатил Ричардсу ни доллара за его изобретение.

Судя по маркировке моего индикатора Ричардса, после истечения срока действия патентных прав Портер поручил ливерпульскому производителю оптики и научных приборов Луи Касартелли производить индикаторы Ричардса. Мой индикатор Ричардса помечен как «Casartelli and Porter Patent, L. Casartelli, Liverpool». У меня есть основания полагать, что этот индикатор был изготовлен в 1890-х годах.

Несмотря на то, что другие производители предлагали улучшенные индикаторы для использования на более новых, более быстрых двигателях, в каталоге Victoria and Albert в 1907 году говорилось, что индикатор Ричардса, «за исключением высокоскоростных двигателей, все еще широко используется».

Различные марки индикаторов

В последующие годы ряд компаний как в США, так и в США.Южная Корея и Европа предложили вариации дизайна Ричардса. В 1889 году Уильям ЛеВан заявил, что «лучшие формы индикаторов в том виде, в каком они производятся и продаются, коммерчески известны как «Томпсон», «Кросби» и «Табор». «Стандарт», но упомянул McNaught’s, Richards, Tabor и «других».

Индикаторы Томпсона

Дж. У. Томпсон из Салема, штат Огайо, в 1875 году запатентовал индикатор, который, согласно Стивену Роперу в его Engineer’s Handy-Book , опубликованном в 1892 году, «брал карты с очень высокой скоростью, скажем, триста оборотов в минуту или даже больше», и при давлении до пятисот фунтов на квадратный дюйм. Одним из усовершенствований, внесенных Томпсоном, был переход от лемнискоида к эллипсовидному увеличительному механизму для движения карандаша. Это изменение уменьшило инерцию механизма, сделав устройство более чувствительным к изменениям давления. (Де Юхас приписывает это усовершенствование Кросби, но, похоже, его патенты были выданы только через четыре года после патента Томпсона.) Этот индикатор был продан американской компанией Steam Gauge как улучшенный индикатор American Thompson. Многие считают его Кадиллаком среди индикаторов паровых двигателей во времена расцвета пара.

В своем каталоге 1896 года компания American Steam Gauge Company предостерегала покупателей от введения в заблуждение других лиц, использующих имя Thompson. Это могло быть ссылкой на компанию Schaeffer & Budenberg, которая предложила улучшенный индикатор Томпсона в своем каталоге 1893 года, и на компанию James L. Robertson & Sons, Inc., которая предложила индикатор Робертсона-Томпсона. Похоже, что американский улучшенный индикатор Томпсона, улучшенный индикатор Томпсона и индикатор Робертсона-Томпсона могли быть тремя почти идентичными устройствами, проданными тремя разными компаниями. Еще больше усложняло ситуацию то, что компания под названием Thompson and Bushnell также продавала индикаторы. На рис. 8 показан улучшенный индикатор Томпсона.

Таборские индикаторы

Портер рассказывает в своих воспоминаниях о том, как его посетил Харрис Табор, который хотел продемонстрировать недавно изобретенный им новый индикатор. Уникальной особенностью индикатора Табора было то, что он использовал изогнутую направляющую, а не сложные рычаги, для создания прямолинейного движения карандаша. Портер и Табор установили индикатор на один из двигателей Портера, который работал со скоростью 450 об/мин.Портер сообщил, что они сделали несколько графиков с этим индикатором, и они оказались совершенно свободными от колебаний, которые производил индикатор Ричардса при той же скорости. Таким образом, индикатор Ричардса устарел по тем же причинам, что и устройства Уатта и Макнота.

Вооружившись результатами испытаний двигателя Портера, Табор отправился в Бостон, чтобы встретиться с производителем по имени Эшкрофт. В течение многих лет после этого компания Ashcroft Manufacturing Company из Бриджпорта, штат Коннектикут, продавала индикатор Ashcroft-Tabor.Портер не указывает дату своей встречи с Табором. Однако у моего друга есть очень ранний индикатор Эшкрофта-Табора (серийный номер 443) с внутренней пружиной и датой патента 10 декабря 1878 года. Эта дата как бы указывает на то, что встреча произошла в 1877 или 1878 году.

В верхней части рисунка 9 показано, как индикаторы Tabor выглядели до 1900 года. В нижней части рисунка показано, как они выглядели после модификации механизма наведения карандаша в 1900 году. Этот индикатор также был доступен с внешней пружиной.

Индикаторы Кросби

В 1879 и 1882 годах г-н Г. Х. Кросби из Массачусетса получил патенты на индикатор, который в конечном итоге соперничал по популярности с индикатором Томпсона. Одной из проблем, возникших при увеличении давления пара, было влияние более высоких температур на пружины индикаторов. В большинстве ранних индикаторов пружина была заключена в паровой цилиндр и подвергалась воздействию той же температуры, что и поршень и цилиндр. Кросби и другие производители решили эту проблему, сконструировав индикаторы с пружинами снаружи цилиндров.На рис. 10 показан индикатор Кросби с внешней пружиной и редукционным движением (будет описано позже).

Индикаторы Бачелдера

Индикатор Бачелдера отличается от большинства других индикаторов тем, что пружина представляет собой прямой кусок стали, а не цилиндрическую пружину. Вместо того, чтобы менять пружины для различных давлений, необходимо только отрегулировать опору в соответствующей точке вдоль пружины.

Индикаторы Бахараха

Компания Bacharach из Питтсбурга произвела серию механических индикаторов.Один из них был разработан специально для более высоких температур, давлений и скоростей, характерных для двигателей внутреннего сгорания. В этом индикаторе вместо спиральной пружины используется сплошной стержень, а бумажный барабан намного меньше по диаметру и длине, чем у индикаторов парового двигателя. Немецкая версия этого индикатора (известная там как Maihak, а не как Bacharach) показана на рисунке 11. Обратите внимание на массивную пружину №12. Это были единственные механические индикаторы, упомянутые в книге 1952 года «Индикатор двигателя для оценки производительности», , и, возможно, они были последними из механических индикаторов, которые были произведены.

Некоторые менее известные имена, некоторые из которых принадлежали европейским производителям, включали:

Trill
прямая линия
звезды латуни
американский шар
Bushnell
Chadbien
Gooch
Dobbie McGinnis
Payne
Hobinobertson
Simplex
Hobkinson
Simplex
Darke
Kenyon
Lehmann & Michels
Dreyer, Rosenkranz & Draook
Engineering Appliance

Около 1919 года Подразделение General Motors Dayton Wright представило совершенно другой тип индикатора — индикатор газового двигателя Midgley.В этом приборе использовались зеркала, свет и фотопленка, и он был специально приспособлен для двигателей внутреннего сгорания (GM, 1920). Двигатель внутреннего сгорания и доступность электроэнергии вместе ознаменовали начало конца как для паровой машины, так и для механического индикатора.

Принадлежности для индикаторов паровых двигателей

Большинство, если не все, индикаторы были упакованы в очень красивые коробки, в которых также было много предметов, необходимых для их использования. Эти предметы часто включали:

Ассортимент пружин для использования с различным давлением пара
Соответствующий набор небольших деревянных весов, откалиброванных для использования с каждой из пружин.*
Масленка, иногда содержащая масло для уплотнения
Запасные стержни для карандашей
Шнур со специальными крючками для соединения и регулировки
Запас чистых карточек
Инструкция по эксплуатации
Специальные ключи
Клапан для изоляции индикатора от цилиндра, чтобы карты можно менять

*Пружина с маркировкой #100 позволяет карандашу смещаться на один дюйм на каждые 100 фунтов давления. Деревянные весы с маркировкой #100 будут иметь 100 делений на дюйм, где каждая отметка соответствует одному фунту на квадратный дюйм.Если диаграмма дополнена пружиной №100 в индикаторе, то давление в любой точке диаграммы можно определить по шкале №100. Точно так же пружина № 50 позволит карандашу перемещаться на один дюйм на каждые 50 фунтов давления, а шкала № 50 будет иметь 50 делений на дюйм.

Редукционные движения

Был еще один важный аксессуар, который был необходим для использования индикатора, и он был известен как редукционное движение. Уменьшающее движение использовалось для дублирования движения поршня двигателя, но в значительно уменьшенном масштабе.Большинство двигателей имели ход от одного фута до пятнадцати футов и более, но индикаторы были способны работать только с ходом в шесть дюймов или меньше. На ранних двигателях с балкой уменьшение хода достигалось простым соединением струны с точкой на балке, близкой к точке поворота, где ход составлял всего несколько дюймов. Однако на двигателях с траверсой и без балки это было невозможно. Такие устройства, как маятники, маятники со шкивами типа «брумбо» (см. рис. 12) и пантографы, часто должны были создаваться механиком для достижения требуемого уменьшения.Особая, очень универсальная форма пантографа была известна как «ленивые щипцы». Примеры всего этого можно увидеть на рисунках 12 и 13.

Со временем большинство производителей индикаторов стали предлагать в своих индикаторах более совершенные и универсальные редукционные движения. Пример сокращающего движения на индикаторе Кросби можно увидеть на рисунке 10. Похоже, что некоторые индикаторы были построены со специальными сокращающими движениями, которые были разработаны для использования на одном конкретном двигателе. Например, у меня есть индикатор Bacharach (Maihak), который был разработан исключительно для использования на двигателе с ходом тринадцать футов!

Планиметры

Чтобы действительно получить максимум информации с индикаторной карты, необходимо было определить площадь диаграммы в квадратных дюймах. Это была одна из важнейших частей информации, которая была необходима для расчета лошадиных сил, эффективности, использования пара и т. д. Этот расчет можно было выполнить вручную, разделив диаграмму на 10 отдельных прямоугольников, используя маленькие деревянные весы для определения площади каждого из них. а затем добавить их все. Гораздо проще было использовать полярный планиметр, механическое устройство, которое автоматически вычисляло площадь, просто обводя контур диаграммы. Некоторые из этих устройств даже вычисляли среднее давление пара в цилиндре.Два планиметра показаны на рис. 14. Очень оригинальным устройством для той же цели, хотя, вероятно, несколько менее точным, был планиметр-топорик, изобретенный человеком по имени Притц в 1888 году (Музей науки). Это устройство представляет собой просто кусок стального стержня диаметром примерно 5/16 дюйма, заостренный на одном конце, сплющенный, как топор, на другом и согнутый в форме буквы «U». Планиметр-топорик показан на рис. 15. В 1893 г. полярный планиметр Шеффера и Буденберга стоил 30 долларов, но механик почти бесплатно мог изготовить планиметр-топорик.

Использование индикаторов на локомотивах

Несколько авторов рассказывают о захватывающем опыте снятия индикаторных диаграмм с двигателей паровозов. В своей книге «Трактат об индикаторе паровой машины Ричардса» Портер посвящает последнюю главу «Поездке по буферной балке» паровоза Великой Восточной железной дороги, совершающего поездку из Лондона в Ярмут и обратно. По словам Портера, поездка была на двигателе с диаметром цилиндра 16 дюймов, ходом поршня 24 дюйма и диаметром колес 7 футов-1 дюйм.Колеса совершали 237 оборотов на милю, а иногда достигали 250 и даже 260 об/мин при скорости 66 миль в час. Портер сказал: «Были предоставлены удобные сиденья, на одном из которых каждый оператор сидел совершенно безопасно, спиной к ветру и с индикатором между коленями». Таким образом, они могли снимать одну диаграмму в минуту на низкой скорости и одну диаграмму каждые полторы минуты на высокой скорости. Для каждой карты они записали момент снятия каждой диаграммы, давление пара, точку отсечки, число оборотов в минуту, уклон следов, кривую следов и вес гусениц. поезд.В заключение он заявляет, что если не произойдет несчастного случая, то опасность не больше, чем езда в карете!

МакШейн в издании 1899 года своей книги «Локомотив в актуальном состоянии», признает некоторые проблемы, связанные с получением диаграмм от локомотивов:

«Необходимо, чтобы оператор мог свободно пользоваться обеими руками при снятии диаграмм. Учитывая положение указателя и раскачивание локомотива при движении с высокой скоростью, для безопасности машиниста к балке бампера обычно прикрепляют закрытую платформу.

В издании той же книги 1920 года он делает замечательное наблюдение, что в этих условиях можно было брать четыре карты в минуту, используя улучшенный американский индикатор Томпсона, аналогичный улучшенному индикатору Томпсона, показанному на рисунке 8.

Я хотел бы отметить еще одну опасность. Корпус индикатора может нагреваться до 365 градусов, когда двигатель работает на паре с давлением 150 фунтов на квадратный дюйм.

По словам ДеЮхаса, к 1930-м годам этот процесс эволюционировал до такой степени, что вся работа могла выполняться из кабины с использованием специального индикатора Maihak с электрическим управлением, созданного специально для использования в локомотивах.(Из любопытства упомяну, что Де-Юхас также включил пример индикаторной диаграммы, снятой с двигателя самолета во время полета.)

Использование индикаторов на тяговых двигателях

Несмотря на то, что цилиндры многих тяговых двигателей были расточены для установки индикатора (см. рис. 3), мало свидетельств того, что индикаторы когда-либо использовались после того, как двигатель покидал завод. Для этого было две причины.

Одной из причин была высокая стоимость индикатора и дополнительного оборудования.Следующие цены взяты из каталога American Steam Gauge Company 1896 года:

Улучшенный индикатор American Thompson … 85 $
Паровой кран … 2,75 $
Редукторное колесо (или пантограф) … 15 $
Пакет пустых карт… 2,50 $
Индикаторный шнур … 15 $
Самшитовые весы … 15 $
Пружина … 5 $
Итого … 110,55 $

Индикаторы в моей коллекции имеют до семи пружин и шкал в комплекте. Шесть дополнительных пружин и весов обойдутся еще в 30,90 долларов.

Я не знаю, какова была дневная заработная плата в то время, но если она составляла около 5 долларов.00, индикатор (только с одной пружиной и одной самшитовой шкалой) стоил бы примерно эквивалент месячной заработной платы.

Второй причиной ограниченного использования индикаторов на тяговых двигателях был тот факт, что требовался квалифицированный инженер для интерпретации карт после того, как они были сняты с индикатора.

Другое использование индикатора

Механический индикатор не ограничивался совершенствованием конструкции и работы паровых двигателей и двигателей внутреннего сгорания. Они также широко использовались с насосами и компрессорами.

Компания Crosby Steam Gauge and Valve Company даже изготовила один индикатор специально для помощи в проектировании и эксплуатации тяжелой артиллерии. При использовании карандаш регистрировал давление масла в камере отдачи, когда движение отдачи ствола вращало бумажный барабан. В книге Elements of Ordnance, полковника Томаса Хейса, опубликованной в 1938 году, показан индикатор Tabor, который использовался для той же цели.

Индикатор сегодня

Недавно мне пришлось снять индикаторную диаграмму с гидравлического насоса, который работал со скоростью 20 ходов в минуту и давлением 10 500 фунтов на квадратный дюйм.С помощью электронного преобразователя и управляющего компьютером я просто собирал 33 показания давления в секунду и вносил их в электронную таблицу Excel. Используя настольный компьютер, я обработал данные и распечатал «Индикационную карту » на лазерном принтере. У нас сегодня все так просто!

Я хочу поблагодарить доктора Роберта Т. Рода за его неоценимую помощь в подготовке этой статьи.
Свяжитесь с Брюсом Л. Бэбкоком по адресу 11155 Stout Road, Amanda, Ohio 43102

Предлагаемая литература

American Steam Gauge Company, Улучшенный индикатор American Thompson, 1896?
Каталог коллекции машиностроения в Научном отделе Музея Виктории и Альберта, (ныне Музей науки), Южный Кенсингтон, Англия, 1907
Крофт, Террелл, Принципы и методы работы с паровыми двигателями, 1922
Паромер Crosby & Valve Company Практические инструкции, касающиеся конструкции и использования индикатора паровой машины, 1896
DeJuhasz, Kalman J, Индикатор двигателя, его конструкция, теория и специальные приложения. 1934
Frohwein, Paul Испытание парового двигателя, 1931
General Motors, Dayton Wright Division, Индикатор газового двигателя Midgley, 1920
Hawkins, N. , Elements of Ordnance, 1938
Hines, JD, Индикатор двигателя для оценки производительности, 1952
Houghtaling, William Индикатор пара и его устройства, 1899
Ле Ван, Уильям Барнет, Паровой двигатель и индикатор 1889
МакШейн, Чарльз, Обновленный локомотив, 1899
МакШейн, Чарльз, Обновленный локомотив, 1920
Лоу, Ф. R., Индикатор паровой машины, 1910
Пибоди, Сесил Х., Руководство по индикатору паровой машины, 1900.
Портер, Чарльз, Технические воспоминания, 1908
Портер, Чарльз, Трактат о Индикатор паровой машины Ричардса, 1874
Молитесь, Томас-младший, Двадцать лет с индикатором, 1902
Рэнкин, Уильям Джон Маккуорн, Паровой двигатель, 1870
Роупер, Стивен 1892
Schaeffer & Budenberg Co., Иллюстрированный каталог, 1893
Стивенсон, Отто, Практические испытания инженеров, 1896

Опубликовано 1 июля 2001 г.

РОДСТВЕННЫЕ СТАТЬИ

Прочтите об одном из первых поселенцев из Вашингтона, который пустил глубокие корни своей новаторской гениальности.

Владельцу парового тягового двигателя Advance-Rumely в Нидерландах нужна помощь в изучении его истории.

В честь Мэйнарда Вестгарда последняя поездка на старом паровом двигателе, его отреставрированном паровом тракторе Case.

Надулся | The Economist

У ВСЕХ лучших изобретений есть легендарный момент «лампочки».Предполагается, что Джеймс Уатт был, когда увидел, как гремит крышка его чайника. Именно тогда, как гласит история, он понял, что давление пара можно использовать для чего-то полезного.

Может так и случилось. Может быть, это не так. Может быть, это не имеет значения. Ведь Уатт на самом деле не изобретал паровой двигатель. Эта честь принадлежит Томасу Ньюкомену, чей паровой шахтный насос существовал уже более полувека, когда Уатт построил свой первый двигатель в 1765 году. «новичок», показывает, что последующие поколения инженеров признают, кто действительно превратил паровой двигатель в самое важное изобретение тысячелетия.

Паровой двигатель Уатта и его преемники приводили в движение первые 100 лет промышленной революции. И стоящая за ними идея о том, что тепло, полученное из ископаемого топлива, может быть превращено в механическую работу, питала и вторую 100 лет этой революции в виде двигателей внутреннего сгорания и реактивных двигателей, которые перемещают машины, и турбин, производящих энергию. свое электричество. Как сказал однажды о своей фабрике в Бирмингеме деловой партнер Уатта Мэтью Боултон: «Я продаю здесь, джентльмены, то, чего желает весь мир: мощность.

Сердцевина паровой машины представляет собой цилиндр, который герметичен с одной стороны и имеет движущийся поршень с другой. При заполнении цилиндра паром поршень выталкивается наружу. Охлаждение пара превращает его в воду, оставляя после себя вакуум. Затем атмосферное давление толкает поршень обратно в цилиндр, и если что-либо (например, насос) прикреплено к поршню, можно выполнить некоторую полезную работу. Подайте больше пара в цилиндр, и цикл можно повторить.

Однако в машине Ньюкомена процесс был крайне неэффективным.После заполнения цилиндра паром он охлаждался непосредственно за счет подачи холодной воды. Затем все это нужно было снова нагреть до точки кипения, прежде чем цикл можно было повторить. Кроме того, поршневая муфта Ньюкомена могла двигаться только вверх и вниз. Это было полезно для накачки, но ограничивало применение двигателя вещами, требующими вращательного движения, например измельчением.

Первой мыслью Ватта было иметь отдельный конденсатор для пара. Это означало, что сам цилиндр можно было поддерживать горячим, что более чем удвоило эффективность машины (предположительно с 1% до чуть более 2%) с последующей экономией топлива.Но именно Боултон настоял на том, чтобы новый двигатель мог совершать круговое движение, чтобы расширить для него рынок. Результатом стала так называемая солнечно-планетарная передача, которая преобразовала возвратно-поступательное движение во вращение и позволила машине вторгнуться на вновь построенные заводы конца 18 века.

В результате двое мужчин разбогатели не только за счет продажи машин, но и за счет их использования для изготовления таких вещей, как пуговицы для британской армии и первые в мире монеты массового производства.А в руках других, в первую очередь Ричарда Тревитика, Джорджа Стефенсона и Изамбарда Кингдома Брюнеля, паровая машина стала приводом в действие первых транспортных средств, которые могли двигаться быстрее, чем лошадь или парусное судно, — железнодорожного локомотива и парохода. Но основной принцип вталкивания поршня в цилиндр и из цилиндра сохранялся даже в двигателях внутреннего сгорания, разработанных Рудольфом Дизелем и Николаусом Отто, которые в конечном итоге заменили паровые двигатели.

Необходимость понять и усовершенствовать паровой двигатель также произвела революцию в науке, создав фундаментальный раздел физики, известный как термодинамика.Первый закон термодинамики — энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, а только преобразована из одной формы в другую — оказался одним из немногих законов сохранения, определяющих, что на самом деле представляет собой основное вещество Вселенной. Второй закон термодинамики, согласно которому беспорядок увеличивается со временем, определяет судьбу Вселенной. Это действительно закончится не взрывом, а хныканьем. Глубокое озарение, которое можно извлечь из желания выпить чашку чая.

Эта статья появилась в печатном издании в разделе «Наука и технологии» под заголовком «Надулся».

Паровой двигатель. История. Вода, давление, мощность и поршень.

Самыми ранними известными паровыми двигателями были новинки, созданные греческим инженером и математиком по имени Герой, жившим в первом веке A . Д . Его самое известное изобретение называлось элиопилом. Это была небольшая полая сфера , к которой были прикреплены две изогнутые трубки. Сфера была прикреплена к котлу, который производил пар. Когда пар выходил из полых трубок сферы, сама сфера начинала вращаться. Герой Александрийский и несколько других греков разработали множество других паровых устройств, таких как паровой орган и автоматические двери, но всегда в контексте игры и, по-видимому, без какого-либо интереса к практическому использованию пара. Тем не менее, их работа установила принцип силы пара, а их забавные устройства были настоящей демонстрацией преобразования энергии пара в какое-то движение .

Хотя греки установили принцип действия пара, он игнорировался более 1500 лет до конца 1600-х годов в Европе . В течение этого долгого периода основными источниками энергии были сначала сила человеческих мышц или тягловых животных, а затем сила ветра и сила воды .Ветряные мельницы и водяные колеса подходили для медленных, повторяющихся работ, таких как перемалывание кукурузы, в которых перебои в подаче электроэнергии не имели большого значения. Однако для определенных работ, таких как откачка воды из шахты, источник энергии, который мог отключиться в любой момент, не всегда был удовлетворительным. На самом деле именно глубина английских рудников подтолкнула инженеров к поиску насосов, которые были бы быстрее старых водяных насосов. К середине шестнадцатого века работа над воздушными насосами установила представление о поршне, работающем в цилиндре, и примерно в 1680 году французский физик Дени Папен (1647-1712) налил немного воды на дно трубы, нагрел ее, преобразовал его в пар и увидел, что расширенный пар с силой толкает поршень прямо перед собой. Когда трубка остыла, поршень вернулся в прежнее положение. Хотя Папен прекрасно осознавал, что создал двигатель, который в конечном итоге мог работать, его отпугнули вполне реальные механические трудности того времени, и он решил работать в меньшем масштабе, создав первую в мире скороварку .

Вслед за Папеном английский военный инженер Томас Савери (ок. 1650–1715) построил то, что большинство считает первой практической паровой машиной. В отличие от системы Папена, в ней не было поршня, поскольку Савери хотел только брать воду из угольных шахт глубоко под землей .Зная, что он может использовать пар для создания вакуума в сосуде, он соединил такой сосуд с трубкой, ведущей в воду внизу. Затем вакуум втягивал воду в трубку и выдувал ее под давлением пара. Систему Савери называли «Друг шахтера», поскольку она поднимала воду из шахт с помощью всасывания, создаваемого конденсацией пара. Несколько лет спустя английский инженер и партнер Савери по имени Томас Ньюкомен (1663-1729) усовершенствовал паровой насос, повторно введя поршень. К 1712 году он построил машину, которая использовала пар при атмосферном давлении (обычная кипящая вода), и которую было довольно легко построить.Его поршневой двигатель был очень надежным и стал широко использоваться в Англии примерно в 1725 году. Его машину называли балочной, потому что наверху у нее была огромная качающаяся балка или качающаяся балка, движение которой передавало мощность от единственного цилиндра двигателя к двигателю. Помпа.

Понимание того, как работала машина Ньюкомена, дает представление о всех более поздних паровых машинах. Во-первых, вся машина находилась в машинном отделении высотой примерно в три этажа, из верхней стены которого торчала длинная дубовая балка, которая могла раскачиваться вверх и вниз.Дом был построен в стороне от шахты. Внизу вала находился водяной насос, который соединялся с двигателем длинной насосной штангой. Под балкой внутри дома находился длинный латунный цилиндр, который стоял на кирпичном котле . Котел питался углем и давал пар. Внутри цилиндра находился поршень, который мог скользить вверх и вниз и был соединен с балкой наверху. Двигатель всегда запускался с поршнем в верхнем положении. Затем пар заполнил цилиндр из открытого клапана.При заполнении цилиндр обрызгивался водой, в результате чего пар внутри конденсировался в воду и создавал частичный вакуум. При этом давление наружного воздуха заставляло опускаться поршень, который раскачивал балку, поднимал штоки насоса и всасывал около 12 галлонов (45 л) воды. Затем поршень возвращался в исходное положение (вверх) в цилиндре, и процесс повторялся. Помимо того, что его называли лучевым двигателем, двигатель Ньюкомена также называли атмосферным двигателем, поскольку он использовал давление воздуха для перемещения поршня (вниз).

Самое важное усовершенствование конструкции паровой машины было сделано шотландским инженером Джеймсом Уаттом (1736-1819). В 1763 году Ватта попросили отремонтировать двигатель Ньюкомена, и он был поражен тем, что он считал его неэффективностью. Он задался целью улучшить его характеристики и к 1769 году пришел к выводу, что если пар конденсировать отдельно от цилиндра, последний всегда можно будет поддерживать горячим. В том же году он представил паровую машину с отдельным конденсатором. Поскольку это разделяло процессы нагрева и охлаждения, его машина могла работать постоянно без длительных пауз в каждом цикле для повторного нагрева цилиндра.Ватт продолжал улучшать свой двигатель и сделал три очень важных дополнения. Во-первых, он сделал его двойного действия, позволив пару попеременно входить с обеих сторон поршня. Это позволяло двигателю работать быстро и развивать мощность как при движении поршня вниз, так и вверх. Во-вторых, он изобрел солнечно-планетарную передачу, которая могла преобразовывать возвратно-поступательное движение луча во вращательное движение. В-третьих, он добавил центробежный регулятор, который поддерживал постоянную скорость двигателя, несмотря на переменные нагрузки.Это чрезвычайно инновационное устройство знаменует начало автоматизации , поскольку Уатт создал систему, которая была по существу саморегулирующейся. Уатт также изобрел манометр, который он добавил к своему двигателю. К 1790 году усовершенствованные паровые машины Уатта стали мощным и надежным источником энергии, который можно было разместить практически в любом месте. Это означало, что заводы больше не нужно было размещать рядом с источниками воды, а можно было строить ближе как к их сырью, так и к транспортным системам. Больше всего на свете именно паровая машина Уатта ускорила промышленную революцию как в Англии, так и во всем мире.

Однако паровая машина
Ватта не была идеальной и имела одно серьезное ограничение; в нем использовался пар низкого давления. Пар высокого давления означал большую мощность от двигателей меньшего размера, но это также означало крайнюю опасность, поскольку взрывы некачественных котлов были обычным явлением. Первым, кто добился реального успеха в этом, был английский изобретатель Ричард Тревитик (1771-1833). К концу восемнадцатого века металлургические технологии совершенствовались, и Тревитик считал, что сможет построить систему, которая будет работать с паром под высоким давлением. К 1803 году Тревитик построил мощный двигатель высокого давления, который он использовал для привода поезда. Его технические новшества были поистине замечательны, но двигатели высокого давления заслужили в Англии настолько плохую репутацию, что прошло двадцать лет, прежде чем английский изобретатель Джордж Стефенсон (1781–1848) доказал свою ценность, создав собственные локомотивы.
Однако в Соединенных Штатах было мало предубеждений против паровой энергии или почти ничего не знали о ней. К концу восемнадцатого века Эванс начал работу над паровым двигателем высокого давления, который он мог использовать в качестве стационарного двигателя в промышленных целях, а также для наземного и водного транспорта.К 1801 году он построил стационарную машину, которую использовал для дробления известняка. Его главное новшество в области высокого давления поместило и цилиндр, и коленчатый вал на один и тот же конец балки, а не на противоположные концы. Это позволило ему использовать гораздо более легкий луч.
За прошедшие годы Эванс построил около 50 паровых двигателей, которые использовались не только на фабриках, но и в качестве привода экскаватора-амфибии. Пар под высоким давлением приводил в движение эту странную шаланду, которая представляла собой земснаряд, способный двигаться как по суше, так и по воде.Это был первый дорожный автомобиль с механическим приводом, который работал в Соединенных Штатах.
Несмотря на тяжелую работу Эванса и настоящий гений, его новаторские усилия с паром не имели большого успеха при жизни. Он часто встречал безразличие или простое нежелание со стороны производителей изменить свои старые методы и перейти на пар. Его использованию пара для наземного движения мешали плохие дороги, личная заинтересованность в 90 437 лошадях 90 438 и крайне неадекватные материалы. После Эванса пар высокого давления стал широко использоваться в Америке, в отличие от Англии, где двигатели низкого давления Уатта требовали замены долго.Но, тем не менее, были внесены улучшения, и железо в конечном итоге заменило древесину в конструкции двигателя, а горизонтальные двигатели стали даже более эффективными, чем старые вертикальные.
Модель парового двигателя тройного расширения — Морской национальный исторический парк Сан-Франциско (Служба национальных парков США)
Масштабная модель паровой машины тройного расширения из латуни и стали, около 14 дюймов в высоту и 20 дюймов в диаметре.
NPS, SAFR 8775
Стивен Кэнрайт, куратор парка, отдел морской истории
Мы вытащили из хранилища маленькую жемчужину модели двигателя и выставляем ее в библиотеке парка (март, апрель, май 2013).Модель демонстрировалась в старом Пароходном зале Морского музея в период с 1989 по 2007 год, и мы рады снова видеть ее на всеобщем обозрении.
Модель трехцилиндрового поршневого двигателя тройного расширения. Это был двигатель, который был полностью разработан к началу 1880-х годов и быстро стал доминирующей силовой установкой для океанских пароходов. Они очень эффективно использовали пар относительно высокого давления, циркулируя пар через цилиндры все большего диаметра при все более низком давлении. Практически весь расширительный потенциал пара превращался в движущую силу. Этот двигатель был достаточно эффективным, чтобы океанские пароходы могли с выгодой для себя перевозить практически любой груз через любой океанский проход. Этот двигатель сделал возможным морское грузовое судно и, наконец, обрек на гибель парусные грузовые суда. Ранее пароходы использовались либо для коротких рейсов, либо для перевозки ценных пассажиров на более дальние океанские рейсы.
Двигатель тройного расширения был в значительной степени заменен в коммерческом использовании более сложным паротурбинным двигателем вскоре после начала 20-го века.Этот тип окончательно возродился на грузовых кораблях Liberty Ship времен Второй мировой войны. Около 2200 автомобилей Liberty были оснащены двигателями тройного расширения, выбранными из-за их относительной простоты изготовления. San Francisco Maritime имеет два полноразмерных двигателя: один на буксире Hercules , а другой на паровой шхуне Wapama . Двигатель Wapama в конечном итоге будет выставлен возле входа на пирс на Гайд-стрит.
Эта искусно сделанная модель, по общему мнению, была изготовлена учениками в мастерских по моделированию и механической обработке на военно-морской верфи Мэр-Айленда, вероятно, в 1920-х годах.Зайдите в библиотеку на третьем этаже корпуса Е, Форт-Мейсон, и проверьте.
Джина Барди, справочный библиотекарь
Приходите в Морскую библиотеку. У нас есть ресурсы для всех, от новичка до эксперта. Вот лишь некоторые (очень немногие…), чтобы намочить свой (паровой) свисток.
Книги:
Гардинер, Роберт. Появление пара. Нью-Йорк: Conway Press, 1993. Печать.
Компания Бэбкок и Уилкокс. Пар, его генерация и использование.Компания Бэбкок и Уилкокс, 1963 г.
.
Хокинс, Неемия. Правила и инструкции для котельной. Нью-Йорк: Т. Одель и Ко. 1902. Печать.
Артикул:
Мактиер, сэр Стюарт и У. Х. Сокольник. «Развитие морской техники». Ливерпульское общество морских исследований. Том. 9. 1955-1961
Сойер, Уильям Д. «Двигатели кузнечика в Эпплтон-холле». Морское письмо. Март 1971 г.: 2–3. Распечатать.
Исторические документы:
Копия журнала Stmr.Сан-Франциско из Нью-Йорка в Сан-Франциско, декабрь 1853 г. HDC105
Бумаги Роя Бертона Гудвина. HDC 1086
Коллекция
состоит из личной переписки, сертификатов, лицензий и других документов, связанных с карьерой Гудвина в качестве главного инженера на паровых шхунах.
Инженерные чертежи Джона Феликса Ширмана. HDC1143 Конструктивные чертежи различных паровых двигателей.
Изображения:
Двигатель с Динамо. Поворот двигателя для USS Olympia. Р83-142а.1372г
Двигатель правого борта авианосца «Орегон». П83-142а.2806г
Строящийся паровой двигатель П83-142а. 3701г
Вертикальный паровой двигатель стивидора, построенный Муром и Скоттом A10. 8512n
Планы:
Геракл. Планы паровой машины. Детали.HDC 128.
Президент Гувер. Паровые котлы, морские. Устройство машины, детали. HDC 460.
Эпплтон Холл. Паровые котлы, морские. Устройство машины, детали. HDC 555.
Чтобы записаться на прием, чтобы увидеть это и многое другое, свяжитесь с Джиной Барди по адресу [email protected] или 415/561-7033.
(PDF) Джеймс Ватт – Паровой двигатель
Книга Биона (1652-1733) о создании
математических инструментов (Бион, 1723). Однажды в
Глазго Уатт снова столкнулся с жесткими правилами торговли.
Объединение Хаммерменов, к которому должен принадлежать
производитель математических инструментов,
сочло Ватта нарушителем их привилегий и
запретило ему заниматься ремеслом, потому что он
не был учеником семь лет .
Ватт был спасен от этого требования по иронии судьбы
. В 1755 г. университет Глазго получил известие о том, что выпускник университета Алекс-
Андер Макфарлейн и богатый купец, основавший обсерваторию в Порт-Рояле, Ямайка,
, завещал все ее ценные инструменты в учреждение
. Занятия по физической астрономии начались недавно, и подарок был как нельзя кстати,
но морское путешествие несколько повлияло на работу некоторых приборов.Профессор Дик
попросил Уотта остаться в городе, чтобы убрать и привести их в порядок, что Уатт и сделал быстро. За
эту услугу ему заплатили пять фунтов, первый контракт
деньги, когда-либо заработанные Ваттом в Глазго.
Устав университета, дар Папы Римского в 1451 году,
давал абсолютную власть в пределах территории его зданий-
, где не действовал приказ Хаммерменов.
Когда вскоре после этого стало известно, что Ватту
было отказано в разрешении иметь мастерскую в городе,
университет взял его под свою защиту и
6 декабря 1757 года предоставил ему комнату в стены
Колледжа, таким образом, он смог уклониться от судебного решения
корпораций торговцев, назначившись «
университетом» на должность «производителя математических инструментов» (Marshall, 1925). Это не было
необычным поступком со стороны Университета, она разрешила другим
ранее устроить мастерские в своей квартире, т.е. 1776) и Эндрю
(1712-1775) Фулис и Александр Уилсон (1714-1784),
основатель типа (Dickinson, 1989). Его комната
выходила на Хай-стрит, где он мог выставлять на продажу
публике инструменты, которые он сделал в своей мастерской.
По примеру своего первого мастера в Глазго
изготавливал и ремонтировал очки, скрипки, флейты,
арфы, гитары и шарманки. Хотя Ватт
не знал музыки, он посвятил себя изучению
математической теории музыки, сочетая ее со своими
механическими навыками. Одним из результатов стал небольшой духовой
орган, который он сделал для профессора Джозефа Блэка (1728-
1799) (Карнеги, 1905).
Из всех друзей, которых он завел в это время, двое
оказали наибольшее влияние на его будущее: Блэк
и Джон Робисон (1739-1805), который первым обратил свое
внимание на паровую машину.
Качество работы Уатта сделало его бизнес
очень успешным. Чтобы развивать его дальше, в 1759 году он вступил в партнерство с Джоном Крейгом, который взял на себя обязательство предоставить большую часть капитала, необходимого для
расширения, и провести все коммерческие операции,
что Ватт, затем как всегда впоследствии, ненавидел. Они
начали с акций и наличных денег на сумму 200 фунтов стерлингов, а примерно через пять лет
валовой объем продаж достигал 600
в год и содержал штат из шестнадцати человек.Именно репутация
Ватта как универсального эксперта по механике
принесла его магазину такой большой доход. В 1760
партнеры открыли магазин в Солтмейкере, а сам Уатт
снял дом на Делфтфилд-лейн, за пределами университетской территории (Marshall, 1925).
10 июня 1763 года Уатт стал мастером Ложи
Свободных и Принятых Масонов Глазго.
В этот момент самым подходящим моментом стала женитьба Уатта
16 июля 1764 года на его кузине Маргарет
Миллер, даме, к которой он давно был глубоко
привязан. Не один близкий друг высказывал
сомнения в том, что он смог бы победить без
солнечной натуры и милой безмятежности миссис Уотт, которые
подтолкнули его к новым усилиям. В 1773 году жена Уатта умерла
в родах в его отсутствие. В июле 1776 года он снова женился на
, на этот раз на Энн МакГрегор (1750-1832),
дочери Джеймса МакГрегора, красильщика из Глазго, который
был первым в Великобритании, кто использовал хлор для отбеливания,
который Клод Луи Бертолле (1748-1822) разработал
и сообщил Уатту.От этого брака родились двое детей
: Грегори (1777-1824)
и Джанет (1779-1894), которые скончались, не выйдя замуж, Энн Уотт дожила до 82 лет и наслаждалась
плодами своего брака. успех и слава мужа.
В 1766 году, перед второй женитьбой, Уатт закрыл
свою лавку в университете и открыл в Глазго
контору по землеустройству и гражданскому строительству, где
до
1774 он работал геодезистом и инженером-строителем. .Хотя эти работы не приносили хорошего дохода, они приносили
более регулярный доход, чем случайные продажи его маленького магазинчика. Его первым предприятием любого размера
был судоходный канал длиной 9 миль, соединяющий
Глазго с угольными шахтами в Монкленде. Изыскание
было завершено в 1769 году, и затем его попросили
контролировать строительные работы за 200 фунтов стерлингов в год,
работу, которой Уатт занимался до 1772 года, когда
проект был остановлен.Он также построил мост
через Клайд, сообщил о предполагаемом его углублении и улучшил гавани Гринок и
Порт-Глазго (Marshall, 1925).
PARA QUITARLE EL POLVO
Octubre de 2007 325
Понимание механизма клапана морского парового двигателя
Механизмы клапанов поршневых паровых двигателей
Моряки прошлого, безусловно, были более знакомы с такими механизмами, как клапаны паровых двигателей. , хотя остальным наверняка было бы интересно узнать об этом побольше. На самом деле поршневые паровые двигатели теперь буквально устарели, и современные корабли работают либо на судовых дизельных двигателях, либо на паровых турбинах. Тем не менее стоит обсудить морские паровые машины, поскольку они заложили основу морских путешествий на паровой тяге и заслужили свое законное место в галерее наследия.
Назначение и принцип работы клапанной передачи парового двигателя довольно просты — обеспечить вход и выход пара в нужное время. Как вы должны знать, основной принцип поршневого парового двигателя довольно прост.Он имеет поршневой цилиндр, в котором пар высокого давления заставляет поршень двигаться вперед-назад, и это возвратно-поступательное движение преобразуется во вращательное движение на выходе, которое затем передается на гребной винт корабля или гребной винт. водное судно.
Изображение морской паровой машины слева должно облегчить расшифровку изложенного выше. Кроме того, просто взгляните на рисунок ниже, который описывает работу паровой машины и делает назначение и работу клапанного механизма очень понятными. Конечно, паровые двигатели бывают разных типов, и это всего лишь общая схема, которая поможет вам понять работу и назначение клапанного механизма морского парового двигателя.
Клапанный механизм работает таким образом, что пар высокого давления поступает в цилиндр и позволяет поршню перемещаться на максимально возможное расстояние. После этого должно начаться обратное движение, и этот пар теперь должен быть выпущен. Обо всем этом заботится очень простая, но в то же время элегантная конструкция клапанного механизма.
Тем не менее, этого объяснения достаточно только для демонстрации основной концепции работы клапанного механизма. На практике клапанный механизм морского парового двигателя может состоять из нескольких вариантов, включая, помимо прочего, некоторые из следующих.
Механизм звена клапана
Механизм радиального клапана
Механизм тарельчатого клапана
Механизм клапана Walschaerts
Невозможно описать конкретное функционирование и конструкцию каждого из этих механизмов клапана, но мы выберем один из них на random и изучите более подробную информацию о нем.