Паровая машина

За несколько веков своего развития, паровая машина прошла путь от простого двигателя до высокотехнологичной современной турбины.

В статье подробно описана история развития паровой машины, принцип работы различных моделей, преимущества и недостатки этого типа двигателя.

Дополнительно будет дана информация: где двигатель используется в наше время, какое влияние на экологию он оказывает.

Краткое описание и определение

Паровая машина – это тепловой двигатель, в котором механическая работа возвратно-поступательных движений поршней преобразовывается из потенциальной энергии пара, образованного в рабочем котле машины.

Весь рабочий процесс основан на подаче пара из котла, регулировок давления пара на всех циклах его подачи к цилиндрам.

Главным достижением паровой машины стал толчок технического прогресса, который начался с возможности ее универсального использования в промышленности и транспорте. О видах паровых машин расскажет эта статья.

Как выглядит на фото?

Устройство и принцип работы

Первой самой эффективной, технологически сложной, универсальной, является паровая машина Джеймса Уатта.

Далее будет дано описание ее устройства и принципа работы. Детали машины:

1. Отдельный котел с топкой и выпускным клапаном.
2. Цилиндр высокого давления с поршнем. Цилиндр имел 3 распределительных канала: для подачи пара к основному цилиндру (его передней и задней части) и канал выпуска отработанных газов. Поршень также имел канал совмещения. Первый цилиндр являлся конденсатором, работал по принципу золотникового клапана.
3. Основной цилиндр с поршнем. В нем осуществлялась основная работа под действием пара низкого давления.
4. Два поршневых штока. Каждый соединяется с задней частью поршня.
5. Тяга штоков. Соединяет оба поршневых штока, позволяя поочередно смещать каждый поршень.
6. Основная тяга. Соединяет шток цилиндра низкого давления с маховым колесом.
7. Кривошип. Через этот элемент осуществляется соединение махового колеса и основной тяги поршня низкого давления.
8. Планетарная система. Представляет собой несколько шестерен, которые являются составными элементами махового колеса. За счет шестерен осуществляется передача вращательного движения на второстепенные механизмы и балансировка вращения.
9. Регулятор оборотов и давления. Соединяется тросом с золотниковым клапаном в трубке подачи пара высокого давления.

Работает машина по следующему принципу:

1. В котле, за счет горения топлива и кипения воды, образуется пар высокого давления и температуры.
2. Пар поступает по каналу к первому цилиндру. При поступлении пара, поршень сдвигается к задней стенке гильзы, открывая канал в переднюю часть второго цилиндра и перекрывая канал поступления пара к задней части второго цилиндра.
3. По открытому каналу, пар из первого цилиндра поступает в переднюю часть второго цилиндра. При этом сдвигается назад поршень 2, а поршень 1 переходит в верхнее положение, перекрывая канал поступления пара к верхней части цилиндра 2.
4. Первое движение двух поршней называется тактом, оно осуществляется за счет давления поступающего пара и смещения тяги штоков.
5. При втором такте, поршень 2, из нижнего положения, выталкивается паром, поступающим из канала задней части цилиндра. Перемещение поршня 2 смещает шток, и тяга перемещает поршень 1 из верхнего положения в нижнее. Так происходит полный цикл возвратно-поступательного движения поршней 1 и 2.
6. При перемещении поршней, возвратно-поступательное движение толкает основную тягу, которая, через кривошип, осуществляет вращение махового колеса.
7. Вращение махового колеса передается на систему планетарного механизма, которая за счет вращения шестерен, приводит в действие второстепенное устройство (станок, пресс, насос).

Регулятор давления на универсальной машине Уатта позволял полностью остановить машину без потери давления и температуры пара. О принципе работы паровой машины читайте здесь, о внутреннем устройстве — тут, о топливе — здесь.

Что является рабочим телом?

Термодинамика и теплотехника определяет в качестве рабочего тела вещество, со свойствами сжатия при охлаждении и расширения при нагревании. Для парового двигателя рабочим телом является водяной пар, как продукт сгорания (парообразования) воды при ее нагреве до температуры кипения.

Плюсы и минусы

К плюсам можно отнести:

1. Возможность применять практически любое топливо. Если первые машины в качестве топлива использовали дрова и мазут, то современные турбины работают от атомной энергии.
2. В качестве энергии можно использовать возобновляемые источники: солнечную энергию, воду океана, течение рек.
3. Отсутствует влияние атмосферного давления. Снижение атмосферного давления только улучшает скорость парообразования.
4. Паровой двигатель имеет меньшие габариты, по сравнению с дизельными или электрическими.
5. Паровой двигатель не нуждается в коробке передач или в раздаточной коробке. Привод осуществляется напрямую к ведущему колесу.
6. Высокая эффективность работы на электростанциях при минимальных затратах на топливо.

Из недостатков можно выделить:

1. Вред экологии. Сгораемое топливо и пар выбрасывается в атмосферу.
2. Высокий коэффициент расхода топлива.
3. Низкий КПД.
4. Требовательность к контролю давления. При плохом контроле двигатель подвержен разгерметизации.
5. Кривошипно-шатунный механизм. Этот механизм подвержен трению, сильно снижает количество оборотов двигателя.

Подробности — в этой статье.

Интересные факты

Рассмотрим 5 интересных фактов о паровых машинах:

1. Для популяризации изобретения Джеймс Уатт специально разработал меру измерения мощности. Он показал насколько двигатель эффективнее, чем работа 1 лошади. Так в физике появилась мера мощности — лошадиная сила.
2. Паровые машины эффективнее в горной местности. Это основано на зависимости скорости парообразования от величины атмосферного давления.
3. Первым паровым автомобилем стала телега француза Николы Жозефа Кюньо. Именно с этого изобретения появилось слово шофер (chauffeur), что дословно переводится как истопник.
4. Скоростной рекорд на автомобиле с паровым двигателем принадлежит автомобилю «Stanley». В 1906 году его разогнали до 206 км/ч. В 2009 году рекорд был побит. Сейчас самая высокая скорость парового автомобиля составляет 225 км/ч.
5. Паровой двигатель является более эффективным при установке на транспорт. Он не требует коробки передач, исключает пробуксовку колес, и, за счет своей тихоходности, может помочь в преодолении любого бездорожья.

Свойства и особенности

Работоспособность и эффективность паровой машины связана с паром, его подачей, давлением. Учитывая эти зависимости, двигатель старались наделить лучшими свойствами для увеличения технических параметров:

1. КПД машины главным образом зависит от системы распределения пара.

   Первые двигатели обладали только одним цилиндром, отработанный пар которого не использовался повторно.

   Машину удалось наделить системой конденсации пара, что позволило снизить выброс отработанного газа, запустив систему циркуляции.

2. Мощность и КПД машины также зависит от количества расширений. Чем больше расширений (цилиндров), тем выше эффективность устройства. Расширение помогает использовать пар высокого, среднего и низкого давления в одном цикле.
3. Температура рабочего пара должна всегда оставаться стабильной и не быть ниже температуры кипения воды. Также должен осуществляться нагрев цилиндров и поддержание их температуры. Это помогает снизить затраты на расход топлива и пара, а также увеличить КПД.
4. Начиная с универсальной паровой машины, конструкция этих устройств предусматривает превращение обратно-поступательного движения в энергию вращения. Для этого используется кривошипно-поршневая система. Именно она обеспечивает максимальную стабилизацию вала и махового колеса.

Также КПД паровой машины, ее эффективность и экономичность зависят от сферы использования. Так, один двигатель может выступать приводом для нескольких типов оборудования и служить в качестве системы отопления. Какой КПД (в процентах) имеет паровая машина, читайте здесь.

Чем отличается от паровой турбины?

Отличается конструкцией и принципом превращения энергии пара во вращательное движение. Различия следующие:

1. Паровой двигатель представляет собой цилиндро-поршневую группу, турбина состоит из нескольких валов с лопастями.
2. Пар под давлением расширяется и сдвигает поршень. В турбине происходит прямое вращение за счет давления пара.
3. Работа турбины основана на превращении энергии пара во вращение без промежуточного возвратно-поступательного движения.
4. Работа паровой турбины и ее КПД больше зависит от давления и температуры пара. Так, для поддержания температуры, пар между ступенями проходит подогрев в специальных камерах.
5. Работа турбин проходит под давлением от низкого 1,2 Мпа, до сверхкритического 22,5 Мпа.
6. Паровые турбины не применяются на транспорте.

Когда, кто и как изобрел?

История развития парового двигателя насчитывает несколько веков. За это время можно выделить самые удачные и работоспособные модели от нескольких изобретателей.

В мире

Первое описание использования давления пара для водяного насоса было дано английским инженером Эдвардом Сомерсетом.

В 1655 году он дал описание проекта первого двигателя, но действующее устройство так и не было создано.

Первый паровой двигатель создал Дени Папен в 1680 году. Это был одноцилиндровый вакуумный двигатель с совмещенным котлом. Устройство использовалось в качестве двигателя насоса.

Следующей разработкой насоса стало устройство Томаса Севери. Патент на изобретение он получил в 1698 году. Модель не была построена по принципу цилиндр-поршень, но обладала отдельным котлом.

Модель с одним цилиндром и отдельным котлом была создана в 1712 году Томасом Нькоменом. Это был полноценный паровой двигатель, построенный специально для шахтных насосов. Без доработок и существенных изменений модель проработала более 50 лет.

Универсальная паровая машина создана Джеймсом Уаттом в 1776 году, при том, что патент на изобретение был получен на 7 лет раньше, в 1769 году. В 1781 году Уатт изобрел паровой двигатель двойного действия, который стал использоваться в промышленности.

Модель была усовершенствована, оснащалась кривошипным механизмом, золотниковым клапаном, двумя цилиндрами и планетарной системой балансировки вращения. О паровой машине Джеймса Уатта читайте тут, Дени Папена — здесь, Ньюкомена и других — тут.

В России

Первым создателем паровой машины на территории России стал Иван Иванович Ползунов. В 1763 году он предложил проект двигателя для обеспечения работы горнорудных мехов.

Подробнее читайте здесь и тут.

Примеры

Рассмотрим, какие паровые машины использовались в разные века.

В 19 веке

Этот век отметился созданием паровой машины Ричарда Треверика. В 1800 году он запатентовал машину высокого давления, а уже в 1801 году построил первый действующий образец, названный «корнуэльским двигателем».

Особенностью машины была работа под давлением 345 кПа. Данный двигатель был установлен на самый первый паровоз Треверика.

В 18 веке

С 1700 по 1800 годы было создано сразу несколько паровых машин, различающихся конструкцией и принципом работы:

1. В 1712 году Ньюкомен построил вакуумный паровой двигатель с отдельным котлом.
2. Двигатель с двумя цилиндрами и работающий от пара высокого давления, построил немец Якоб Лейпольд в 1720 году.

   Машина отличалась высокой эффективностью, но была опасна при разгерметизации.

3. В 1766 году русским горным рабочим была создана машина для подачи воздуха в шахты. Изобретателем был И. И. Ползунов.
4. 1781 году Джеймс Уатт создал первый универсальный паровой двигатель двойного действия, с системой золотникового клапана и регулятором числа оборотов.

В 17 веке

В этот период были построены следующие типы паровых машин:

1. В 1629 году итальянец Джованни Бранка изобрел первую паровую турбину, которая использовалась для работы мельницы. По причине больших потерь пара на выходе и несовершенстве геометрии лопастей машина имела очень малый КПД (0,2%).
2. В 1680 году была создана первая действующая машина Дени Папена. Она имела один цилиндр с поршнем, встроенный котел и применялась для поднятия воды из шахт.
3. Последней разработкой этого периода стала машина Томаса Севери. В 1698 он запатентовал первый рабочий паровой насос, которым не являлся двигателем.

17 век положил начало самым новейшим разработкам в сфере создания паровых двигателей.

В глубоком прошлом

Люди во все века пытались создать паровой двигатель для повышения эффективности рабочих процессов. Так, Героном Александрийский дал описание паровой машины.

Она представляла собой шар, из которой под давлением вырывался пар. Пар вращал шар. Описание устройства было дано в 1 столетии.

Энергия пара применялась и в древнем Египте. При помощи котла и подачи пара высокого давления египтяне открывали массивные двери.

Как выглядели и работали первые паровые машины, можно узнать тут, кто и когда создал первую универсальную паровую машину — здесь.

Применение

Паровые машины конструировались изобретателями с целью увеличения скорости и облегчения труда.

В прошлом

В прошлом, паровой двигатель использовался для:

• подъема воды из шахт;
• в качестве насоса, для создания систем водоснабжения;
• универсальная машина открыла возможность использования на производстве и в промышленности;
• последующие разработки стали устанавливаться на различный транспорт (машины, паровозы, пароходы).

Применялся двигатель также в сельском хозяйстве и армии.

В современном мире

До наших времен паровая машина дошла в качестве двигателей паровозов. В труднодоступных горных районах Англии и Мексики до сих пор курсируют паровозы. Паровые турбины применяются в энергетике. До сих пор применяются машины на газовом топливе и в атомных реакторах.

Паровые двигатели нередко используются в качестве приводов генераторов и насосов для химической, горной и нефтяной промышленности. Наиболее известной паровой машиной современности можно назвать систему парового отопления. О назначении и применении паровых машин расскажет эта статья.

Экологические проблемы, влияние на окружающую среду

На экологию использование паровых машин влияет негативно. Но это только в случае сжигания твердых и нефтяных видов топлива. Также вред наносится за счет выброса пара, насыщения атмосферы влагой и увеличения температуры окружающей среды.

Заключение

Изобретение парового двигателя – это прорывной момент развития науки и техники. С его помощью человек получил доступ к более высоким скоростям производства, перемещения и получения иных видов энергии.