Простые, эффективные, надежные — виды паровых машин

Какие есть типы?

Со времени создания первого парового двигателя, его устройство постоянно модернизировалось с целью увеличения мощности, снижения энергозатрат.

По способу преобразования

Паровые машины по способу преобразования энергии делятся на 2 основных вида:

1. Поршневые. Это двигатели, которые имеют герметичный цилиндр с поршнем.

   Перегретый пар поступает к цилиндру через форсунку, тем самым сдвигая поршень.

   Движение поршня внутри цилиндра, через шток, передается на ведущее колесо, вращая его.

   Этот тип двигателя схож по конструкции с двигателем внутреннего сгорания. Его особенностью является наличие системы парораспределения (притока/оттока пара).

2. Турбинные. Конструктивно сильно отличаются от поршневых. Простой турбинный двигатель состоит из подающей форсунки и лопастного колеса. Форсунка направлена на лопасти колеса под определенным углом. Подаваемый пар, под высоким давлением, нагнетается на лопасти, вращая все колесо.

Для увеличения КПД оба типа машин могут иметь от 1 до 6 и более рабочих механизмов (колес или поршней).

По количеству расширений

Расширение — это повторное использование пара, перегоняемого по разным цилиндрам, под различным давлением. Расширение позволяет значительно увеличить КПД двигателя.

Виды парового двигателя по количеству расширений:

1. Без расширения. Это двигатель с одним цилиндром, системой подвода и отвода пара. Нагнетание пара способно только переместить поршень в одном направлении. Такие модели также называются простыми или кратного расширения.
2. Однократное расширение. Свойственно для многоцилиндровых и одноцилиндровых устройств. Недостатком является низкий КПД. Простое расширение не позволяет использовать пар различного давления.
3. Двукратное. Используется в многоцилиндровых машинах. Пар подается под высоким давлением к одному цилиндру или пару меньшего диаметра, после отработки поступает в следующий цилиндр большего диаметра, но уже расширяясь.
4. Трехкратное или компаунд. Более усовершенствованный тип. Такой двигатель состоит из цилиндров высокого, низкого и среднего давления. Особенностью машин является самый высокий КПД при меньших затратах на первичную энергию.

По используемому пару

Различаются машины с паром высокого и низкого давления:

1. Пар низкого давления использовался в машинах вакуумного типа. Давление такого пара было ниже атмосферного, за счет чего создавался вакуум в гильзе.

   Также этот пар значительно ниже по температуре. Такой пар имел давление всего 12 кг/см2.

   Недостатком двигателя была необходимость использования двойной системы впрыска пара в саму гильзу, для одного хода поршня, и за гильзу, для возврата поршня.

2. Высокое давление от 275 кПа и выше. При работе такой машины высокое давление пара увеличивало его температуру. Так осуществлялось увеличение КПД двигателя. Давление такого пара схоже или выше атмосферного, что позволяло использовать несколько цилиндров и двойную систему расширения. Преимуществом машин были компактность, дешевизна, высокая мощность.

Пар высокого давления позволил создавать двигатели для транспорта, делая его менее громоздким и более подвижным.

По числу оборотов вала

Машины могут быть быстроходными и тихоходными:

1. Быстроходные. В таких двигателях используется система дополнительного клапана, открывающегося самим поршнем. Это дополнение позволило направлять пар по прямому пути от котла до поршня, что увеличило температуру пара, его давление и снизило потребляемый объем топлива. Быстроходные машины позволяли оснащать различные генераторы, промышленные станки, паровозы.
2. Тихоходные. Это машины с оборотом вала до 50 об/мин. В них применялся тип смены направления подачи пара. Множество каналов парораспределения снижало эффективность подачи, увеличивало объем необходимой энергии и влияло на температуру пара на разных отрезках подачи. Тихоходные машины применялись на первых пароходах и насосах для откачки воды.

По давлению выпускаемого пара

По данной характеристики машины делятся на:

1. Выхлопные. Отработанный пар выпускается в атмосферу. Таким двигателям требуется большой бак для воды и большая энергия для ее нагрева. Величина выхлопного давления 1,1-1,3 атм.
2. Кондиционные. Оснащаются конденсатором. Устройство позволяет конденсировать отработанный пар в воду и переводить ее для повторного нагрева к котлу. Давление выпуска всего 0,1-0,2 атм.
3. Теплофикационные. Это машины, в которых отработанный пар используется для иных нужд, например, отопления, работы смежных механизмов. Давление варьируется от 0,1-60 атм. Теплофикационная система часто применялась для работы станков. Более оборотистые станки переводили отработанный пар для работы механизмов меньшей мощности.

Какие еще бывают?

Также паровые машины делятся по следующим типам:

1. Расположение цилиндров. Горизонтальное, вертикальное, наклонное. Различием являются габариты двигателя. Горизонтальные и наклонные имеют меньшие габариты.
2. Тип передаточного механизма: тандем, прямоток, компаунд.
3. Передвижные и стационарные. Передвижные устанавливаются на транспорт. Стационарными оснащается промышленное оборудование.
4. С постоянным или переменным режимом работы. Переменный режим использовался для транспорта. Постоянный режим применялся для работы оборудования стационарного типа.

Все эти классификации позволяли обобщить характеристики двигателя и создать наиболее эффективную модель.

Модификации и разновидности

Паровые машины претерпели множество доработок и имели различные модификации.

Вакуумные

Двигатели самого первого типа. Применялись для привода насосного оборудования. Работали по принципу впрыска пара низкого давления. Давление пара приводило в движение поршень только в сторону одного хода.

Обратное движение осуществлялось специальным коромыслом, совмещенным с самим насосом. Работа двигателя начиналась за счет разницы атмосферного давления и пара.

Роторные

Устройство двигателя напоминает современный центробежный насос. Модель имела объемную камеру с лопастями, впускной и выпускной сферой.

Пар под давлением попадал в камеру, вращая лопасти и привод. Вращение также приводило в движение клапаны.

Выпускной клапан был настроен таким образом, что открывался в момент закрытия впускного, переводя отработанный и охлажденный пар в конденсатор.

С возвратно-поступательным движением

Этот тип двигателя похож на современный. Поршень находится в герметичной гильзе. Пар приводит в движение поршень, совершая двойной такт (вперед-назад).

Поршень оснащается шатуном, который подсоединялся уже к механизму вращения другого устройства. Например, к станку. Таким образом энергия пара преобразовывалась в механическое вращение.

Поршневые

Машины, в которых для преобразования энергии пара, используется поршень и гильза. Пар под давлением поступает в гильзу, толкая поршень, и выводится в атмосферу или в систему циркуляции. Такие двигатели считаются самыми эффективными.

Винтовые

Машина роторного типа. Оснащается 2 или более роторами с нарезанными лопастями асимметричного типа. Работает устройство за счет подачи пара высокого давления.

Двойного действия и тройного расширения — конструктивная разница

Машины с двойным и тройным расширением имеют ряд конструктивных отличий:

• двигатель двойного расширения приводится в действие за счет перегона пара из цилиндра с высоким давлением в цилиндр с низким давлением — такая машина оснащалась несколькими цилиндрами низкого давления;
• балансировка двигателя с двойным расширением осуществлялась за счет добавления цилиндров низкого давления, с большим диаметром и размером.

Модификацией такого двигателя стала машина тройного или множественного расширения (компаунд). Она оснащалась также цилиндрами, но каждый последующий был по размеру и диаметру больше предыдущего. Тем самым получалось создать цикл из нескольких сжатий пара, без снижения его температуры.

Наиболее эффективной считается схема с рядным расположением гильз. Первый цилиндр был самым маленьким, в него поступал пар высокого давления и температуры. Отработанный пар переходил от цилиндра к цилиндру, постепенно охлаждаясь. На конечном этапе, пар поступал в систему конденсации.

Применение

Многие типы и конструкции паровых машин используются и по сей день. Пар так и остается идеальной энергией для нужд промышленности.

Раньше

Самыми старыми паровыми машинами, которые по многим причинам не дошли до наших дней, являются:

1. Первые паровые машины известны еще со времен XVII века. Это было простое устройство с поршнем, который поднимался за счет давления пара и опускался за счет собственного веса.
2. Далее стали разрабатываться вакуумные поршневые модели для насосного оборудования.
3. Следующим этапом развития стали машины высокого давления с несколькими цилиндрами.

Дальнейшим развитием стали машины для транспорта и промышленности. Это были роторные и винтовые двигатели, машины с множественным расширением.

Сейчас

В наше время применяется всего 3 типа современных паровых машин:

1. Машина поршневого типа с двойным действием, применяется в качестве привода поршневых насосов.

   Эти двигатели незаменимы в отраслях с большой степенью риска возникновения пожара, в местах трудного подвоза топлива или проведения электрической сети.

2. Также используются паровые турбины. Эти устройства являются приводами генераторов на электростанциях.
3. Роторные винтовые двигатели применяются на некоторых моделях котельных установок парового отопления.

В отдаленных частях мира до сих пор применяется поршневой двигатель множественного расширения или прямого притока. Ими оснащаются паровозы, работающие в условиях низких температур.

Заключение

История парового двигателя насчитывает немало веков. С его изобретением человек получил возможность использовать доступное топливо для его преобразования в механическую энергию. Современное использование паровых машин только подтверждает их простоту, эффективность и надежность.