Схема действия первой паровой машины

Первой паровой машиной считается одноцилиндровый двигатель Дени Папена, созданный в 1680 году. Устройство состояло из:

  1. foto48606-2Металлического цилиндра. Цилиндр этой машины также выполнял роль емкости для воды для образования пара.
  2. Поршень со штоком.
  3. Выпускного клапана. Им был оснащен сам поршень.
  4. Фиксатор. С его помощью производилась фиксация поршня в верхнем положении.

Устройство работало по следующему принципу:

  • гильза с водой устанавливалась на огонь;
  • при нагреве вода закипала, образовывался пар;
  • образованный кипением пар вытеснял весь воздух из гильзы через клапан и поднимал поршень в цилиндре;
  • при достижении полного положения открытия, поршень удерживался фиксатором.

Конструкция не позволяла выполнить одновременное открытие и закрытие поршня (возвратно-поступательное движение). Для его возврата к исходному положению необходимо было остудить верхнюю часть гильзы и сдвинуть рычаг фиксации.

Под собственным весом и силой атмосферного давления поршень опускался вниз. Для повторной работы требовалось снова установить цилиндр на источник тепла и повторить процесс нагрева воды.

Данная модель паровой машины создавалась для шахтных насосов, но из-за низкого КПД (меньше 1%), ее использование со временем стало неэффективным.

Как работает аппарат?

Система расширения позволяет:

  1. В полной мере использовать объем поданного в двигатель пара.
  2. Увеличить КПД машины.
  3. Снизить температуру перед отводом пара на конденсатор.
  4. Снизить объем выброса в атмосферу отработанного пара.

Двойного расширения

Двигатель двойного расширения или компаунд состоит из следующих элементов:

  • цилиндра и поршня малого диаметра;
  • одного цилиндра большого диаметра;
  • конденсатора;
  • регулятора давления.

Работает устройство следующим образом:

  1. В котле образуется пар и поступает на первый цилиндр. При этом давление и температура пара очень высокие.
  2. Пар толкает поршень, при этом температура и давление газа в гильзе снижается.
  3. Отработанный пар, обладая низким давлением, но уже большим объемом, переводится во второй поршень.
  4. Второй поршень сдвигается, переводя первый на исходное положение.
  5. Отработанный пар из второй гильзы отводится на конденсатор.

Система очень простая, но ее недостатком является сложность запуска двигателя, если первый поршень находится в промежуточном или полностью в верхнем положении.

foto48606-3

Тройного расширения

Система тройного или множественного расширения более усовершенствованная и эффективная.

Она состоит из:

  • первой гильзы и поршня большого диаметра для работы с паром высокого давления и температуры;
  • второго цилиндра и поршня диаметром меньше, чем первый, увеличена также длина гильзы, но ход поршня остается прежним — это сделано для отработанного пара, у которого снизилось давление и увеличился объем, этот цилиндр работает с паром среднего давления;
  • третьей группы (цилиндр-поршень) еще меньшего диаметра, чем две предыдущие группы, увеличена и его длина, группа работает с паром низкого давления.

Отработанный пар, после прохождения всех трех групп, переводится на конденсатор.


Работает двигатель тройного расширения следующим образом:

  1. Образованный в котле пар поступает на золотник.
  2. Золотник перераспределяет пар на первый цилиндр.
  3. Пар смещает поршень. За счет смещения перекрывается входной паровой клапан. Клапан защищает гильзу от поступления лишнего объема пара.
  4. При достижении первым поршнем верхней мертвой точки, открывается клапан второго цилиндра. Отработанный пар поступает в него уже с меньшим давлением и большим объемом. При этом первый поршень начинает движение назад.
  5. После достижения вторым поршнем своей верхней мертвой точки, охлажденный отработанный пар отводится к третьему цилиндру. При этом открывается входной клапан первого цилиндра.

Полностью охлажденный пар отводится через последний клапан на конденсатор. Паровые двигатели тройного расширения не страдают от проблем со стартом при открытом положении поршня.

Это компенсируется работой золотникового поршня и поступления давления к гильзе с задней стороны. Если поршень находится в закрытом состоянии, задний клапан не открывается.

Двигатели с подобной системой имеют высокий КПД (до 30%). Для его увеличения и экономии ресурса следующей моделью являются машины множественного расширения (4 и более).
foto48606-4

Устройство двигателя, как он действует?

Двигатель паровой машины – это основной агрегат, который не включает в себя паровой котел.

Он состоит из следующих элементов:

  • входной паровой патрубок с клапаном;
  • цилиндр золотникового клапана;
  • сам золотник;
  • основная гильза с поршнем;
  • двух поршневых штоков — один крепится к основному поршню, второй к золотнику;
  • канал ползуна — используется для балансировки направления ползуна при движении;
  • ползун — крепится к штоку основного поршня и соединяется через эксцентрик с шатуном;
  • шатун — передает поступательное движение на маховое колесо;
  • кривошип — соединительный элемент махового колеса и шатуна;
  • маховое колесо — центрует и балансирует вращательное движение;
  • центробежный регулятор давления — используется для регулировки давления системы;
  • система распределительных линий;
  • конденсатор — используется для конденсации отработанного пара.
foto48606-5
Схема паровой машины тандем: 1 — поршень, 2 — поршневой шток, 3 — ползун, 4 — шатун, 5 — кривошип, 6 — вал, 7 — маховик, 8 — скользящий клапан, 9 — центробежный регулятор

Работает двигатель следующим образом:

  1. Из котла пар поступает в гильзу высокого давления с золотниковым клапаном.
  2. Золотник смещается, под действием расширения пара, в верхнюю мертвую точку, открывая канал для поступления пара в нижнюю часть основной гильзы.
  3. Пар под давлением смещает поршень в верхнюю мертвую точку. При этом золотник сдвигается в обратном направлении, перекрывая канал поступления пара в переднюю часть цилиндра, и открывая канал его задней части.
  4. Через этот канал, пар поступает за поршень и толкает его в обратном направлении.
  5. Обратно поступательное движение поршней передается на штоки. Шток золотника проворачивает маховик, который толкает шатун, ползун и шток главного поршня. Это обратное поступательное движение, которое дополняет энергию давления пара.
  6. Шатун основного поршня сдвигается в направлении маховика и проворачивает его.
  7. Энергия вращения передается через вал или ременную передачу на второстепенное устройство (насос, станок, колесо).

В ходе работы весь отработанный пар поступает в конденсатор, где пар превращается в воду, которая перенаправляется обратно к котлу. Остаток пара выводится в атмосферу.

Вся работа машины также зависит от центробежного регулятора. Именно он, за счет скорости своего вращения, открывает основной клапан на полный ход или перекрывает его.

Какие конструкции используют сейчас?

Паровые машины используют в следующих сферах:

  1. Транспорт. В некоторых участках мира все еще курсируют паровозы. На паровозах устанавливается двигатель двойного или множественного расширения.
  2. Простые двухцилиндровые машины применяются в качестве приводов насосного оборудования в шахтах, химической промышленности.
  3. Паровые турбины применяются в энергетике. Именно эти устройства являются приводом генераторов.
  4. Паровые турбины или небольшие двигатели применяются на ТЭЦ для обеспечения подачи тепла.

Роль паровых машин современности все еще остается важной. Причиной является малая затрата на топливо, простота и надежность конструкции.

Видео по теме статьи

Об устройстве и принципе работы паровой машины расскажет видео:

Заключение

Паровые машины все еще востребованы современным обществом. Они несут свет и тепло в дома, перевозят людей в горных районах мира. Устройство и принцип работы подобных машин все еще совершенствуется инженерами для достижения наибольшего КПД.