Что такое паровая машина

Когда начинают рассуждать о силе пара, о том, как он может работать, то очень уж любят «от печки танцевать». От самой обыкновенной печки, верней — от плиты. Вот, мол, на плите горячей чайник с водой стоит, до него не дотрагивается никто. А между тем на чайнике крышка будто живая: подпрыгивает, бренчит. Отчего.
Помню, я уже ходил в школу, когда мне тоже стали так объяснять: вода закипает, пар получается. Ему в чайнике тесно, деваться некуда — вот и толкает крышку… Я обиделся: что мне, как маленькому всем известное растолковывают! Я ведь спрашивал о другом: как устроена паровая машина? Вот поэтому и не буду вам про чайники рассказывать. Расскажу прямо о паровой машине: без нее ни один паровоз с места не сдвинулся бы, ни один пароход не поплыл…

Как изобрели паровую машину

Иногда говорят: паровую машину изобрел англичанин Уатт. Изобрел и сразу прославился на весь мир. И случилось это не особенно давно — в 1784 году.

Неужели раньше, до Уатта, никто не догадывался, что пар можно к делу пристроить? Неужели никто не замечал этого силача?

Оказывается, замечали, догадывались. Были и раньше на свете умные головы. Еще в древности греческий математик и механик из города Сиракузы Архимед додумался паром выталкивать ядро из ствола медной пушки. Еще не было в те времена пороху. А воды, из которой проще простого получается пар, сколько угодно. Пушка стреляла так: спереди в ствол закладывали чугунный шар — ядро, а с другого конца этот ствол (прочную толстую трубу) нагревали на костре. Спереди ствол был открыт, а сзади — только маленькую дырочку оставляли: в нее-то и наливали воду и поскорей затыкали пробкой, крепко-накрепко. Вода внутри раскаленной пушки превращалась в упругий пар, и ядро с грохотом вылетало.

Так ведь, если разобраться, это и есть первая паровая машина. Почти двигатель!

Ну, двигателем, пожалуй, такую «машину» называть еще рано. И правда, к чему ее приспособишь? Ни к станку, ни к повозке. Тут пар только и может — швырять тяжелые ядра.

Чем же эта пушка похожа на двигатель? А вот чем: главные части любой паровой машины — цилиндр (труба вроде пушечного ствола) и поршень (поршень похож на сплюснутое ядро и движется внутри цилиндра), а к поршню крепится шток (по-немецки «шток» означает «палка»). Если бы ядро не вылетало из пушечного ствола, а только доходило до края и возвращалось обратно и если бы приделать к ядру длинную палку — тогда и получилась бы настоящая паровая машина. Словом, если бы еще немного подумать.

И, наверно, додумались, если бы была нужда…

Но в далекие времена люди вполне обходились ветряными и водяными колесами. К тому же лучшие прежние мастера не смогли бы с необходимой точностью изготовить для паровой машины детали — совершенно круглый цилиндр с очень гладкими стенками и такой поршень, чтобы между ним и цилиндром щелочки были совсем тонкие.

После изобретения пороха, стали порохом заряжать пушки: удобнее, проще. А о пушке паровой, придуманной раньше, все, конечно, забыли. Так нередко случается: человек сделает какое-нибудь совсем новое открытие, а оно никому не нужно — все об этом открытии позабудут. Спустя многие годы понадобится — и то же самое открывают заново…

Через много лет про силу пара вспомнили снова. Кто? Один француз по имени Дени Папен. Папен родился в семье врача и сам тоже на врача учился, а вовсе не на инженера. Но он до того заинтересовался свойствами пара, что решил переменить профессию и стал ученым-механиком. И он придумал воду наливать на дно цилиндра, а затем нагревать ее: пар, занимающий куда больше места, чем вода, станет, словно пружина, поднимать, выталкивать поршень. Если огонь из-под цилиндра вовремя убрать, а цилиндр охладить — скажем, обыкновенными мокрыми тряпками, — то пар в нем опять превратится в воду и поршень пойдет обратно: его будет толкать внутрь давление наружного воздуха, по-гречески «атмосфера». Машина поэтому так и называлась — паро-атмосферной.

В то время строилось много угольных шахт и рудников, иногда очень глубоких. Подземная вода заливала их, надо было ее выкачивать. Необходим был двигатель надежный и простой, который не зависел бы от капризного ветра и мог работать вдали от реки. Короче говоря, подоспела нужда в паровой машине. Головы ломали в разных странах десятки изобретателей, чтобы ее придумать. Папен был одним из них. Но его паро-атмосферную машину так нигде и не применили — слишком она оказалась медленной, громоздкой, неудобной в обслуживании. К тому же работала с перерывами: поршень сперва доползет до края цилиндра, потом остановится, ждет, пока на другом конце пар превратится в воду и давление снизится, только тогда начинает ползти обратно и снова ждет, пока закипит вода в цилиндре…

Зато Папен изобрел замечательный клапан для парового котла: снизу — топка; котел, где вода в пар превращается, крепко-накрепко заперт крышкой; а чтобы этот котел не могло разорвать сжатым паром, в крышке — дыра, заткнутая пробкой. Сверху пробку прижимает рычаг, на нем — груз: если давление пара в котле станет слишком большим, пар приподнимет пробку-клапан и выйдет наружу. Безопасно, надежно!

Предохранительный клапан Папена (А) сдерживает давление пара в котле (Б), пока оно не достигнет опасного предела: тогда лишний пар приподнимет клапан и выйдет из котла. Величина критического давления пара регулируется перемещением груза (В) по рычагу (Г).

Для чего же Папен использовал котел с клапаном? Он разваривал в нем бычьи кости, превращая их в студень, и угощал этим блюдом ученых коллег. Студень всем очень нравился, и коллеги избрали Папена в члены Ученого Королевского общества.

Читайте также:  Течет тосол из под головки

Между прочим, предохранительный клапан Папена применяется до сих пор. И ведь очень удобно: грузом на рычаге можно регулировать давление пара в котле. Как? Догадайтесь сами…

Придумать клапан к паровому котлу Папен сумел, а вот сделать так, чтобы пар поступал в машину из котла, а не получался в том же самом цилиндре, где находится поршень, — не додумался. Котел Папена остался стоять на кухне, служить «разваривателем костей» для студня. А ведь как было бы здорово: не надо нагревать цилиндр, а затем охлаждать — знай вовремя пар по трубам пускать…

Это сделали уже другие изобретатели

Англичанин Ньюкомен построил машину специально для выкачки из шахт воды: поставил стоймя цилиндр с поршнем и туда попеременно пускал то из котла пар, то из бочки холодную воду. То один кран откроет, то другой. Ньюкомен приделал к поршню длинную палку-шток, другой же конец палки прицепил к коромыслу, которое сверху подвешено. Коромысло качалось вслед за поршнем и качало водяной насос. Машина получилась огромная, топливо пожирала возами, а работала почти так же медленно и с остановками, как машина Папена: она ведь тоже была паро-атмосферной.

Все же она выкачивала воду

Нашелся и человек, который усовершенствовал эту машину: Гамфри Поттер, специально приставленный, чтобы пускать то пар, то воду. Скучно пареньку все время находиться возле машины, а отойти, погулять — нельзя. Он и сообразил соединить коромысло проволокой с паровым и водяным кранами, и машина стала сама открывать их и закрывать, когда нужно, научилась сама себя обслуживать.

Может быть, рассказ о смышленом Поттере — выдумка. Может, сам Ньюкомен или кто-то другой из механиков сделал это приспособление. Но так или иначе, долгое время его называли механизмом Поттера.

И все-таки не Папен и не Ньюкомен придумали машину, которая могла работать непрерывно. Придумал ее механик из города Барнаула Иван Ползунов. Сохранился чертеж 1763 года: два цилиндра, два поршня, связанных между собой общей цепью, и через колесо-шкив перекинутой. Поочередно в цилиндры пар впускается, и поршни движутся друг за дружкой — то один, вверху, то другой. При этом вал шкива все время качается — то вправо, то влево; а движение вала должно было передаваться мехам, накачивать воздух…

Ползунов осуществил не этот проект, а другой, измененный. В построенной им «огневой машине» также использовались два цилиндра, в которых поочередно двигались поршни, качая воздуходувные мехи. Мехи снабжали воздухом медеплавильные печи завода. Это была первая машина непрерывного действия. Все же и она была не паровой, а паро-атмосферной: обратный ход поршней производился давлением окружающего воздуха, атмосферы, и не был рабочим ходом. Сам Ползунов, надорвав свои силы, умер за неделю до пуска машины. Пробовали ее уже без него. Двигатель Ползунова несколько месяцев исправно работал, а затем был заброшен и даже не ремонтировался. Дирекция завода не хотела возиться с «капризной» машиной — царским чиновникам удобнее было жить по старинке…

Уатту в Англии повезло больше: он изготовил паровую машину в мире первую (универсальную). Универсальную — значит, годную для всякого завода, механизма, станка. Паровую, а не как раньше паро-атмосферную — потому что поршень и вверх и вниз двигался паром: Уатт поместил его в с обоих концов закрытый цилиндр, а пар впускал то снизу поршня, то сверху.

А началось с того, что однажды Уатт получил для ремонта модель паро-атмосферной машины. Уатт в то время был еще молодым человеком и служил в университете механиком, занимался починкой разных приборов. И он взял себе за правило: не бросать дело на полпути, во всем доискиваться причины.

Другой на его месте, вероятно, починил бы старенькую модель и успокоился. А он не просто ее исправил, но тут же принялся размышлять: отчего она так неэкономно работает? Отчего так слаба.

Уатт был, конечно, гениальным изобретателем, но не думайте, что он изобретал свою машину, как говорится на голом месте, один. Уатт знал о работах предшественников — и Папена, и Ньюкомена, и многих других. Именно потому его труд и увенчался успехом, что сперва он подробно изучил достоинства и недостатки чужих машин, а уже затем взялся за свою.

На рисунке вы можете видеть универсальную паровую машину Уатта. Такой она получилась не сразу: изобретатель дорабатывал ее, переделывал, улучшал — целых двадцать лет на нее потратил! Зато и вышла машина на славу. В ней было много новшеств.

Универсальная паровая машина Уатта явилась долгожданным двигателем, который мог заменить живую силу человека в прядильном и ткацком производстве, в горнодобывающей промышленности, на транспорте…

Во-первых, Уатт предложил специальное парораспределительное устройство — золотник (сделать это устройство помог один инженер, помощник Уатта). Золотник сам, без человеческой помощи впускал пар то с одной стороны поршня, то с обратной.

Во-вторых, движение в этой машине получалось вращательным: Уатт соединил свободный конец коромысла с шатуном (железной рейкой, которая может шататься вокруг оси), а шатун — с кривошипом (отростком — «шипом», торчащим сбоку колеса-маховика). Коромысло шатун толкало, а шатун за кривошип держался — совсем как рука человека за рукоятку швейной машины, — и колесо на валу вращалось.

В-третьих, Уатт придумал регулятор подачи пара: если вал машины вращался чересчур быстро, регулятор автоматически уменьшал поступление пара в цилиндр. Или же наоборот, увеличивал приток пара, если скорость снижалась.

Он предложил и еще кое-что остроумное, отчего машина Уатта сразу стала удобной, экономной и сильной.

Над машиной Уатта впоследствии потрудилось немало механиков, инженеров, ученых, и со временем она приобрела такой вид, как на рисунке.

Она годилась уже не только для станков на заводах и фабриках и не только для откачки в шахтах и рудниках воды — паровая машина Уатта в движение привела первый паровоз и первый пароход да и самый первый автомобиль тоже. Паровая машина оказалась для автомобилей слишком тяжелой, слишком громоздкой, автомобилистам пришлось ждать изобретения другого двигателя…

Читайте также:  Генератор бош на ниву шевроле

Про самую большую и сильную паровую машину, изготовленную на заводе Уаттом, говорили, что она заменяет пятьдесят лошадей. Кстати, Уатт и предложил сравнение машины с лошадьми, это он первый термин «лошадиная сила» ввел. Потом научились строить паровые машины в десять тысяч лошадиных сил. И все равно в наше время старая паровая машина доживает свой век. Так же, как обыкновенные пароход с паровозом. На смену им пришли турбоходы и тепловозы — они куда быстроходны и сильнее: здесь гребные винты и колеса вращаются электромоторами.

Но ведь чтобы электромоторы работали, нужен электрический ток. А чтобы получать электрический ток, нужно вращать генератор. Почему же паровая машина не справится с этим?

Может, конечно, справиться. И все же вал паровой машины вертится слишком медленно: каких-нибудь 300—400 оборотов в минуту. Генератор нужно вращать раз в десять быстрее. Только тогда он будет давать электричество в полную силу. Да и топлива паровая машина требует чересчур много…

Значит, уволить в отставку пар, этого силача?

ПАРОВАЯ МАШИНА — тепловой поршневой двигатель для преобразования энергии водяного пара в механическую работу. Пар, поступая в цилиндр паровой машины, перемещает поршень. Проект паровой машины непрерывного действия разработан И. И. Ползуновым (1763). Как… … Большой Энциклопедический словарь

ПАРОВАЯ МАШИНА — поршневой двигатель, преобразующий тепловую энергию пара в механ. работу. Являясь самым ранним представителем тепловых двигателей, П. м. со времен так наз. второй машины Уатта (1784 г.), непрерывно совершенствуясь, нашла самое широкое применение… … Технический железнодорожный словарь

паровая машина — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN steam engine … Справочник технического переводчика

Паровая машина — ПАРОВАЯ МАШИНА, тепловой поршневой двигатель для преобразования энергии сжатого горячего водяного пара в механическую работу. Пар, поступая в цилиндр паровой машины, перемещает поршень и охлаждается. Проект паровой машины непрерывного действия… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

паровая машина — тепловой поршневой двигатель для преобразования энергии водяного пара в механическую работу. Первая паровая машина двойного действия, у которой пар подавался поочерёдно то с одной, то с другой стороны поршня, была построена Дж. Уаттом в 1784 г.… … Энциклопедия техники

паровая машина — тепловой поршневой двигатель для преобразования энергии водяного пара в механическую работу. Пар, поступая в цилиндр паровой машины, перемещает поршень. Проект паровой машины непрерывного действия разработан И. И. Ползуновым (1763). Как… … Энциклопедический словарь

паровая машина — garo mašina statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. steam machine vok. Dampfmaschine, f rus. паровая машина, f pranc. machine à vapeur, f … Fizikos terminų žodynas

паровая машина — garo mašina statusas T sritis Energetika apibrėžtis Šiluminis stūmoklinis variklis, verčiantis vandens garo potencinę energiją mechaniniu darbu. atitikmenys: angl. steam machine vok. Dampfmaschine, f rus. паровая машина, f pranc. machine à vapeur … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

Паровая машина — поршневой первичный двигатель, предназначенный для преобразования потенциальной тепловой энергии (давления) водяного пара в механическую работу. Рабочий процесс П. м. обусловлен периодическими изменениями упругости пара в полостях её… … Большая советская энциклопедия

ПАРОВАЯ МАШИНА — первичный поршневой двигатель, в к ром потенц. энергия сжатого водяного пара превращается в механич. работу (см. рис.). Вплоть до кон. 19 в. П. м. была практически единств. распространённым двигателем в пром сти и на транспорте. Развитие П. м.… … Большой энциклопедический политехнический словарь

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) 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 (упор в стену), чем отличается от всех других видов двигателей, используемых на транспорте.

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определён как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты , содержащейся в топливе . Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла. КПД тепловой машины равен

,

где W out — механическая работа, Дж; Q in — затраченное количество теплоты, Дж.

Тепловой двигатель не может иметь КПД больший, чем у цикла Карно , в котором количество теплоты передается от нагревателя с высокой температурой к холодильнику с низкой температурой. КПД идеальной тепловой машины Карно зависит исключительно от разности температур, причём в расчётах используется абсолютная термодинамическая температура . Следовательно, для паровых двигателей необходимы максимально высокая температура T 1 в начале цикла (достигаемая, например, с помощью пароперегрева ) и как можно более низкая температура T 2 в конце цикла (например, с помощью конденсатора ):

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. Тепловая электростанция с пароперегревателем и регенеративным водоподогревом может достичь КПД 30 — 42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать коэффициента полезного действия 50 — 60 %. На ТЭЦ эффективность повышается за счёт использования частично отработавшего пара для отопления и производственных нужд. При этом используется до 90 % энергии топлива и только 10 % рассеивается бесполезно в атмосфере.

Читайте также:  Универсальная губа на передний бампер

Такие различия в эффективности происходят из-за особенностей термодинамического цикла паровых машин. Например, наибольшая отопительная нагрузка приходится на зимний период, поэтому КПД ТЭЦ зимой повышается.

Одна из причин снижения КПД в том, что средняя температура пара в конденсаторе несколько выше, чем температура окружающей среды (образуется т. н. температурный напор ). Средний температурный напор может быть уменьшен за счёт применения многоходовых конденсаторов. Повышает КПД также применение экономайзеров, регенеративных воздухоподогревателей и других средств оптимизации парового цикла.

Станцыонарные Паровые машины могут быть разделены на два типа по режиму использования:

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.

В большинстве возвратно-поступательных паровых машин пар изменяет направление движения в каждом такте рабочего цикла, поступая в цилиндр и выходя из него через один и тот же коллектор. Полный цикл двигателя занимает один полный оборот кривошипа и состоит из четырёх фаз — впуска, расширения (рабочая фаза), выпуска и сжатия. Эти фазы контролируются клапанами в «паровой коробке», смежной с цилиндром. Клапаны управляют потоком пара, последовательно соединяя коллекторы каждой стороны рабочего цилиндра с впускным и выпускным коллектором паровой машины. Клапаны приводятся в движение клапанным механизмом какого-либо типа. Простейший клапанный механизм даёт фиксированную продолжительность рабочих фаз и обычно не имеет возможности изменять направление вращения вала машины. Большинство клапанных механизмов более совершенны, имеют механизм реверса, а также позволяют регулировать мощность и крутящий момент машины путём изменения «отсечки пара», то есть изменяя соотношение фаз впуска и расширения. Так как обычно один и тот же скользящий клапан управляет и входным и выходным потоком пара, изменение этих фаз также симметрично влияет на соотношения фаз выпуска и сжатия. И здесь существует проблема, поскольку соотношение этих фаз в идеале не должно меняться: если фаза выпуска станет слишком короткой, то большая часть отработанного пара не успеет покинуть цилиндр, и создаст существенное противодавление на фазе сжатия. В 1840-х и 1850-х годах было совершено множество попыток обойти это ограничение, в основном путём создания схем с дополнительным клапаном отсечки, установленном на основном распределительном клапане, но такие механизмы не показывали удовлетворительной работы, к тому же получались слишком дорогими и сложными. С тех пор обычным компромиссным решением стало удлинение скользящих поверхностей золотниковых клапанов с тем, чтобы впускное окно было перекрыто дольше, чем выпускное. Позже были разработаны схемы с отдельными впускными и выпускными клапанами, которые могли обеспечить практически идеальный цикл работы, но эти схемы редко применялись на практике, особенно на транспорте, из-за своей сложности и возникающих эксплуатационных проблем

Множественное расширение

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 четырёхкратного расширения. Такие паровые машины использовали серии цилиндров двойного действия, объём 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 т

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 остаётся более или менее постоянным. Прямоточные машины одиночного 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 одиночного, так и двойного действия.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock detector