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?
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.
Создание парового двигателя — результат долгих размышлений, удач и крушений надежд множества учёных.
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.
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.
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:
Уже к концу XIX столетия паровые двигатели, сыграв свою роль в техническом прогрессе общества, уступают место двигателям внутреннего сгорания и электродвигателям.
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 в группе ВКонтакте. А ещё — спасибо, если ты нажмёшь на одну из кнопочек «лайков»:Вы можете оставить комментарий к докладу.
www.doklad-na-temu.ru
Паровая тяга все еще обеспечивает значительную часть требуемой нам энергии. Даже лучшие из современных атомных реакторов всего лишь источники тепла, превращающие воду в пар для вращения турбин, соединенных с электрогенераторами. Первая паровая машина была изобретена в I в н. э. греческим инженером Геро Александрийским. Полый шар был подвижно закреплен на двух трубах, через которые подавался пар из небольшого котла. Пар наполнял шар и выходил через две трубки, отходящие от противоположных его сторон. Струи выходящего пара заставляли шар вращаться. Хотя это устройство и представляло определенный интерес, в те времена оно оказалось бесполезным. Первая паровая машина, нашедшая практическое применение, была создана в 1698 г английским инженером Томасом Сэвери. Пар охлаждался в камере до образования конденсата. В результате резкого уменьшения объема возникал парциальный вакуум, используемый для откачивания воды из угольных шахт.
В двигателе, изобретенном английским инженером Томасом Ньюкоменом ок. 1710 г, пар внутри цилиндра толкал вверх поршень. За тем цилиндр охлаждали, чтобы сконденсировать пар и вернуть поршень в нижнее положение. При конденсации пара давление в цилиндре падало, и атмосферного давления было достаточно, чтобы поршень опустился вниз. Поэтому Ньюкомен назвал свой двигатель пароатмосферным. Он применялся для работы шахтных насосов. Хотя эффективность этого двигателя была выше, чем у машины Сэвери, он работал очень медленно и с низким КПД. Это объясняется тем, что после охлаждения цилиндр нужно было снова нагревать, чтобы заставить пар толкать поршень вверх, иначе он бы сразу конденсировался.
Эту проблему решил шотландский инженер Джеймс Уатт.В созданном им в 1769 г двигателе пар направлялся в отдельную камеру для конденсации. Так как цилиндр не нужно было поочередно нагревать и охлаждать, тепловые потери двигателя были относительно небольшими. Кроме того, двигатель Уатта был более быстродействующим, поскольку можно было подавать большее количество пара в цилиндр, как только поршень возвращался в свое исходное положение. Благодаря этому и другим усовершенствованиям, придуманным Уаттом, для паровой машины нашлись многочисленные практические применения. К наступлению викторианской эпохи мощные паровозы совершили революцию в средствах передвижения по суше. Паровые машины также обеспечивали энергию для печатания газет, ткачества и для работы стиральных машин в "паровых" прачечных. Паровые двигатели использовались на площадках аттракционов, а фермеры с помощью паровой тяги пахали землю. Уборщики пользовались работающими на пару пылесосами, а в престижных городских парикмахерских были даже щетки для массажа кожи головы с паровым приводом.
В большинстве первых паровых машин двигающиеся в цилиндрах поршни создавали возвратно-поступательное движение, которое затем можно было преобразовывать во вращательное движение с помощью механических устройств. Маркиз де Дион был одним из родоначальников автомобилестроения во Франции. На фото он управляет трехколесным автомобилем с паровым двигателем, который был построен им в 1897 г. Двигатель установлен спереди и имеет привод на заднее колесо. Паровые турбины сразу преобразуют энергию пара во вращательное движение. В XIX в некоторые изобретатели экспериментировали с паровыми турбинами, но только в 1884 г английский инженер Чарльз Парсонс создал рентабельную и работоспособную конструкцию. Спустя несколько лет после изобретения, его турбины стали использоваться на судах и в генераторах тока
Паровые двигатели и турбины преобразуют тепло в энергию. При этом тепло от сжигания топлива идет на кипячение воды, объем которой в парообразном состоянии увеличивается в 1600 раз, а давление пара создает движение. В поршневых двигателях пар расширяется в цилиндре и толкает поршень. Двухцилиндровый паровой двигатель с высокой степенью сжатия был раньше установлен на небольшом грузовом судне. В паровых турбинах расширяющийся пар вращает оснащенные лопатками роторы. В обоих случаях пар отдает тепловую энергию Паровые двигатели и турбины относятся к двигателям внешнего сгорания так как нагрев происходит вне рабочей камеры, обычно за счет сжигания топлива. Пар производят в котлах, нагреваемых при сжигании нефти или угля. На атомных электростанциях тепло обеспечивают ядерные реакции.
В простых паровых машинах пар создает давление на одной стороне цилиндра, заставляя его двигаться. Но в большинстве паровых двигателей обе стороны поршня используются для получения механической энергии. Сначала пар попадает на одну сторону и двигает поршень вперед, а затем на другую сторону, возвращая его назад. Поэтому такие двигатели называются двигателями двойного действия. Рабочий цикл начинается с подачи пара на одну сторону цилиндра через входное отверстие, после чего оно закрывается, а пар, расширяясь, толкает поршень вниз по цилиндру Затем пар поступает на другую сторону поршня, заставляя его возвращаться назад при этом пар на первой стороне выходит через выхлопное отверстие Пар поочередно подается на одну из сторон поршня, а другая сторона автоматически соединяется с выхлопным отверстием. В большинстве паровых двигателей всем рабочим циклом каждого поршня управляет один D-образный клапан. Он скользит взад-вперед, обеспечивая требуемое соединение с входным и выхлопным отверстиями пара. У некоторых больших паровых двигателей отдельные клапаны имеются по обе стороны поршня.
Возвратно поступательное движение преобразуется во вращательное с помощью шатуна и коленчатого вала. Коленчатый вал - это рычаг, соединенный с тяжелым маховиком а шатун соединяет этот вал с поршнем или его штоком. При движении поршня вперед и назад коленчатый вал вращается, а маховик выравнивает создаваемое вращательное усилие. Температура пара падает при его расширении в цилиндре. Подобный эффект можно наблюдать, используя аэрозольный баллон благодаря расширению газа вытеснителя возникает ощущение прохлады от струи аэрозоля. В простом паровом двигателе двойного действия пар, расширяясь, охлаждает ту часть цилиндра, куда будет подаваться свежий пар. При сильном расширении пара охлаждающий эффект может вызвать большие тепловые потери в двигателе. Эти потери можно компенсировать за счет сжигания большего количества топлива, но при этом снижается КПД двигателя. Температурные изменения можно уменьшить, если ограничить давление подаваемого в цилиндр пара для снижения степени его расширения. Однако при этом становится меньше и мощность двигателя.
Эта проблема решается, если позволить пару сначала частично расшириться в малом цилиндре высокого давления. Затем отработавший пар поступает в больший цилиндр низкого давления, где происходит его дальнейшее расширение. Паровые машины с двумя или несколькими такими цилиндрами называются комбинированными двигателями или компаундами. Двигатели с трехкратным расширением - это компаунды с цилиндрами высокого, среднего и низкого давления. Такие двигатели широко применялись на судах, а некоторые немецкие корабли оснащались двигателями с четвертой ступенью расширения.
Прямоточные двигатели позволяют снизить тепловые потери за счет резкого уменьшения колебаний температуры в цилиндре. Пар, подаваемый в разные части цилиндра, расширяется и выпускается через кольцо выхлопных отверстий в его центре. Поэтому цилиндр остается относительно горячим по краям и более прохладным в средней части, где он контактирует с расширенным паром. Тепловые потери введены к минимуму, так как ни одна часть цилиндра не подвергается большим изменениям температуры.
Главным рабочим органом турбины является ротор, оснащенный рядом лопаток. Он находится внутри корпуса с неподвижными лопатками, направляющими поток пара. Пар высокого давления вращает ротор. Пар поступает в корпус турбины через сопла. При выпуске пара его давление падает, и он расширяется. Это приводит к увеличению его скорости, которая может в несколько раз превышать скорость звука. Так, при расширении пара и падении его давления с 12 атм. до 0,5 атм. достигается скорость примерно 1100 м/с.
Движущийся с такой скоростью пар обладает большой энергией, но она не вся легко передается лопастям ротора турбины. Для максимальной передачи энергии пара турбине ее лопатки должны вращаться со скоростью, которая в два раза меньше скорости пара. Но зачастую этого трудно добиться, и потери энергии могут быть большими. Один из путей решения данной проблемы - установка нескольких рядов лопаток турбины, чтобы давление постепенно снижалось на каждом из них. Такие турбины называются компаундированными по давлению. Длина лопаток постепенно увеличивается в направлении от впускного к выпускному каналу, чтобы пару было где расширяться. В некоторых турбинах пар, пройдя один ряд лопаток, без дальнейшего расширения направляется на второй, а иногда и на третий ряд. Турбины такого типа называются компаундированными по скорости.
На одних пароходах турбины используются как привод для электрогенератора, вырабатывающего энергию для электродвигателя, который вращает гребной винт. На других судах турбина вращает гребной винт через ряд редукторов, снижающих скорость вращения до относительно малой величины, требуемой для экономичной работы винта. На больших судах вместо одного длинного ротора турбины можно установить бок о бок два более коротких ротора, соединенных с одним источником пара. Это позволяет уменьшить общую длину двигателя. Такие роторы называются перекрестно-компаундированными.
Гигантские турбины электростанций служат приводами для генераторов тока. При мощностях до 300 МВт (300 000 кВт) одна линия роторов турбины используется для одного генератора. При больших мощностях два перекрестно-компаундированных ротора подключены к отдельным генераторам. Генераторы электростанций вырабатывают переменный ток. Такой ток меняет свое направление много раз за секунду.
По сложившейся технической традиции, ставшей со временем промышленным стандартом, в большинстве стран и Западной, и Восточной Европы системы электроснабжения обеспечивают подачу тока, совершающего 50 циклов (циклом называются два полных изменения направления) в секунду. Это - частота сети, выражаемая в герцах (Гц) и равная в данном случае 50 Гц. (1 Гц = 1 цикл в секунду.) Частота вырабатываемого тока зависит от скорости вращения турбин и генераторов. Для производства тока частотой 50 Гц скорость вращения турбины должна быть 3000 об./мин В Северной Америке частота сетей электроснабжения 60 Гц обеспечивается за счет скорости вращения турбин 3600 об./мин.
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.prob.ru
На сайт
refdb.ru
Паровая тяга все еще обеспечивает значительную часть требуемой нам энергии. Даже лучшие из современных атомных реакторов всего лишь источники тепла, превращающие воду в пар для вращения турбин, соединенных с электрогенераторами.
Первая паровая машина была изобретена в I в н. э. греческим инженером Геро Александрийским. Полый шар был подвижно закреплен на двух трубах, через которые подавался пар из небольшого котла. Пар наполнял шар и выходил через две трубки, отходящие от противоположных его сторон. Струи выходящего пара заставляли шар вращаться. Хотя это устройство и представляло определенный интерес, в те времена оно оказалось бесполезным.
Первая паровая машина, нашедшая практическое применение, была создана в 1698 г английским инженером Томасом Сэвери. Пар охлаждался в камере до образования конденсата. В результате резкого уменьшения объема возникал парциальный вакуум, используемый для откачивания воды из угольных шахт.
Сила поршняВ двигателе, изобретенном английским инженером Томасом Ньюкоменом ок. 1710 г, пар внутри цилиндра толкал вверх поршень. За тем цилиндр охлаждали, чтобы сконденсировать пар и вернуть поршень в нижнее положение. При конденсации пара давление в цилиндре падало, и атмосферного давления было достаточно, чтобы поршень опустился вниз. Поэтому Ньюкомен назвал свой двигатель пароатмосферным. Он применялся для работы шахтных насосов. Хотя эффективность этого двигателя была выше, чем у машины Сэвери, он работал очень медленно и с низким КПД. Это объясняется тем, что после охлаждения цилиндр нужно было снова нагревать, чтобы заставить пар толкать поршень вверх, иначе он бы сразу конденсировался.
Двигатель УаттаЭту проблему решил шотландский инженер Джеймс Уатт.В созданном им в 1769 г двигателе пар направлялся в отдельную камеру для конденсации.
Так как цилиндр не нужно было поочередно нагревать и охлаждать, тепловые потери двигателя были относительно небольшими. Кроме того, двигатель Уатта был более быстродействующим, поскольку можно было подавать большее количество пара в цилиндр, как только поршень возвращался в свое исходное положение. Благодаря этому и другим усовершенствованиям, придуманным Уаттом, для паровой машины нашлись многочисленные практические применения.
К наступлению викторианской эпохи мощные паровозы совершили революцию в средствах передвижения по суше. Паровые машины также обеспечивали энергию для печатания газет, ткачества и для работы стиральных машин в «паровых» прачечных. Паровые двигатели использовались на площадках аттракционов, а фермеры с помощью паровой тяги пахали землю. Уборщики пользовались работающими на пару пылесосами, а в престижных городских парикмахерских были даже щетки для массажа кожи головы с паровым приводом.
Вращательное движениеВ большинстве первых паровых машин двигающиеся в цилиндрах поршни создавали возвратно-поступательное движение, которое затем можно было преобразовывать во вращательное движение с помощью механических устройств.
Маркиз де Дион был одним из родоначальников автомобилестроения во Франции. На фото он управляет трехколесным автомобилем с паровым двигателем, который был построен им в 1897 г. Двигатель установлен спереди и имеет привод на заднее колесо.
Паровые турбины сразу преобразуют энергию пара во вращательное движение. В XIX в некоторые изобретатели экспериментировали с паровыми турбинами, но только в 1884 г английский инженер Чарльз Парсонс создал рентабельную и работоспособную конструкцию. Спустя несколько лет после изобретения, его турбины стали использоваться на судах и в генераторах тока
Преобразование энергииПаровые двигатели и турбины преобразуют тепло в энергию. При этом тепло от сжигания топлива идет на кипячение воды, объем которой в парообразном состоянии увеличивается в 1600 раз, а давление пара создает движение. В поршневых двигателях пар расширяется в цилиндре и толкает поршень.
Двухцилиндровый паровой двигатель с высокой степенью сжатия был раньше установлен на небольшом грузовом судне.
В паровых турбинах расширяющийся пар вращает оснащенные лопатками роторы. В обоих случаях пар отдает тепловую энергию
Паровые двигатели и турбины относятся к двигателям внешнего сгорания так как нагрев происходит вне рабочей камеры, обычно за счет сжигания топлива. Пар производят в котлах, нагреваемых при сжигании нефти или угля. На атомных электростанциях тепло обеспечивают ядерные реакции.
Двойное действиеВ простых паровых машинах пар создает давление на одной стороне цилиндра, заставляя его двигаться. Но в большинстве паровых двигателей обе стороны поршня используются для получения механической энергии. Сначала пар попадает на одну сторону и двигает поршень вперед, а затем на другую сторону, возвращая его назад. Поэтому такие двигатели называются двигателями двойного действия.
Рабочий цикл начинается с подачи пара на одну сторону цилиндра через входное отверстие, после чего оно закрывается, а пар, расширяясь, толкает поршень вниз по цилиндру Затем пар поступает на другую сторону поршня, заставляя его возвращаться назад при этом пар на первой стороне выходит через выхлопное отверстие Пар поочередно подается на одну из сторон поршня, а другая сторона автоматически соединяется с выхлопным отверстием.
В большинстве паровых двигателей всем рабочим циклом каждого поршня управляет один D-образный клапан. Он скользит взад-вперед, обеспечивая требуемое соединение с входным и выхлопным отверстиями пара. У некоторых больших паровых двигателей отдельные клапаны имеются по обе стороны поршня.
Коленчатый валВозвратно поступательное движение преобразуется во вращательное с помощью шатуна и коленчатого вала. Коленчатый вал — это рычаг, соединенный с тяжелым маховиком а шатун соединяет этот вал с поршнем или его штоком. При движении поршня вперед и назад коленчатый вал вращается, а маховик выравнивает создаваемое вращательное усилие.
Температура пара падает при его расширении в цилиндре. Подобный эффект можно наблюдать, используя аэрозольный баллон благодаря расширению газа вытеснителя возникает ощущение прохлады от струи аэрозоля. В простом паровом двигателе двойного действия пар, расширяясь, охлаждает ту часть цилиндра, куда будет подаваться свежий пар.
При сильном расширении пара охлаждающий эффект может вызвать большие тепловые потери в двигателе. Эти потери можно компенсировать за счет сжигания большего количества топлива, но при этом снижается КПД двигателя. Температурные изменения можно уменьшить, если ограничить давление подаваемого в цилиндр пара для снижения степени его расширения. Однако при этом становится меньше и мощность двигателя.
КомпаундыЭта проблема решается, если позволить пару сначала частично расшириться в малом цилиндре высокого давления. Затем отработавший пар поступает в больший цилиндр низкого давления, где происходит его дальнейшее расширение. Паровые машины с двумя или несколькими такими цилиндрами называются комбинированными двигателями или компаундами.
Двигатели с трехкратным расширением — это компаунды с цилиндрами высокого, среднего и низкого давления. Такие двигатели широко применялись на судах, а некоторые немецкие корабли оснащались двигателями с четвертой ступенью расширения.
Прямоточные двигателиПрямоточные двигатели позволяют снизить тепловые потери за счет резкого уменьшения колебаний температуры в цилиндре. Пар, подаваемый в разные части цилиндра, расширяется и выпускается через кольцо выхлопных отверстий в его центре. Поэтому цилиндр остается относительно горячим по краям и более прохладным в средней части, где он контактирует с расширенным паром. Тепловые потери введены к минимуму, так как ни одна часть цилиндра не подвергается большим изменениям температуры.
ТурбиныГлавным рабочим органом турбины является ротор, оснащенный рядом лопаток. Он находится внутри корпуса с неподвижными лопатками, направляющими поток пара. Пар высокого давления вращает ротор.
Пар поступает в корпус турбины через сопла. При выпуске пара его давление падает, и он расширяется. Это приводит к увеличению его скорости, которая может в несколько раз превышать скорость звука. Так, при расширении пара и падении его давления с 12 атм. до 0,5 атм. достигается скорость примерно 1100 м/с.
Высокая скорость, большая энергияДвижущийся с такой скоростью пар обладает большой энергией, но она не вся легко передается лопастям ротора турбины. Для максимальной передачи энергии пара турбине ее лопатки должны вращаться со скоростью, которая в два раза меньше скорости пара. Но зачастую этого трудно добиться, и потери энергии могут быть большими. Один из путей решения данной проблемы — установка нескольких рядов лопаток турбины, чтобы давление постепенно снижалось на каждом из них. Такие турбины называются компаундированными по давлению. Длина лопаток постепенно увеличивается в направлении от впускного к выпускному каналу, чтобы пару было где расширяться.
В некоторых турбинах пар, пройдя один ряд лопаток, без дальнейшего расширения направляется на второй, а иногда и на третий ряд. Турбины такого типа называются компаундированными по скорости.
Судовые турбиныНа одних пароходах турбины используются как привод для электрогенератора, вырабатывающего энергию для электродвигателя, который вращает гребной винт. На других судах турбина вращает гребной винт через ряд редукторов, снижающих скорость вращения до относительно малой величины, требуемой для экономичной работы винта.
На больших судах вместо одного длинного ротора турбины можно установить бок о бок два более коротких ротора, соединенных с одним источником пара. Это позволяет уменьшить общую длину двигателя. Такие роторы называются перекрестно-компаундированными.
ЭлектростанцииГигантские турбины электростанций служат приводами для генераторов тока. При мощностях до 300 МВт (300 000 кВт) одна линия роторов турбины используется для одного генератора. При больших мощностях два перекрестно-компаундированных ротора подключены к отдельным генераторам.
Генераторы электростанций вырабатывают переменный ток. Такой ток меняет свое направление много раз за секунду.
Частота сетиПо сложившейся технической традиции, ставшей со временем промышленным стандартом, в большинстве стран и Западной, и Восточной Европы системы электроснабжения обеспечивают подачу тока, совершающего 50 циклов (циклом называются два полных изменения направления) в секунду. Это — частота сети, выражаемая в герцах (Гц) и равная в данном случае 50 Гц. (1 Гц = 1 цикл в секунду.)
Частота вырабатываемого тока зависит от скорости вращения турбин и генераторов. Для производства тока частотой 50 Гц скорость вращения турбины должна быть 3000 об./мин В Северной Америке частота сетей электроснабжения 60 Гц обеспечивается за счет скорости вращения турбин 3600 об./мин.
www.ronl.ru
Паровая тяга все еще обеспечивает значительную часть требуемой нам энергии. Даже лучшие из современных атомных реакторов всего лишь источники тепла, превращающие воду в пар для вращения турбин, соединенных с электрогенераторами. Первая паровая машина была изобретена в I в н. э. греческим инженером Геро Александрийским. Полый шар был подвижно закреплен на двух трубах, через которые подавался пар из небольшого котла. Пар наполнял шар и выходил через две трубки, отходящие от противоположных его сторон. Струи выходящего пара заставляли шар вращаться. Хотя это устройство и представляло определенный интерес, в те времена оно оказалось бесполезным. Первая паровая машина, нашедшая практическое применение, была создана в 1698 г английским инженером Томасом Сэвери. Пар охлаждался в камере до образования конденсата. В результате резкого уменьшения объема возникал парциальный вакуум, используемый для откачивания воды из угольных шахт.
В двигателе, изобретенном английским инженером Томасом Ньюкоменом ок. 1710 г, пар внутри цилиндра толкал вверх поршень. За тем цилиндр охлаждали, чтобы сконденсировать пар и вернуть поршень в нижнее положение. При конденсации пара давление в цилиндре падало, и атмосферного давления было достаточно, чтобы поршень опустился вниз. Поэтому Ньюкомен назвал свой двигатель пароатмосферным. Он применялся для работы шахтных насосов. Хотя эффективность этого двигателя была выше, чем у машины Сэвери, он работал очень медленно и с низким КПД. Это объясняется тем, что после охлаждения цилиндр нужно было снова нагревать, чтобы заставить пар толкать поршень вверх, иначе он бы сразу конденсировался.
Эту проблему решил шотландский инженер Джеймс Уатт.В созданном им в 1769 г двигателе пар направлялся в отдельную камеру для конденсации. Так как цилиндр не нужно было поочередно нагревать и охлаждать, тепловые потери двигателя были относительно небольшими. Кроме того, двигатель Уатта был более быстродействующим, поскольку можно было подавать большее количество пара в цилиндр, как только поршень возвращался в свое исходное положение. Благодаря этому и другим усовершенствованиям, придуманным Уаттом, для паровой машины нашлись многочисленные практические применения. К наступлению викторианской эпохи мощные паровозы совершили революцию в средствах передвижения по суше. Паровые машины также обеспечивали энергию для печатания газет, ткачества и для работы стиральных машин в "паровых" прачечных. Паровые двигатели использовались на площадках аттракционов, а фермеры с помощью паровой тяги пахали землю. Уборщики пользовались работающими на пару пылесосами, а в престижных городских парикмахерских были даже щетки для массажа кожи головы с паровым приводом.
В большинстве первых паровых машин двигающиеся в цилиндрах поршни создавали возвратно-поступательное движение, которое затем можно было преобразовывать во вращательное движение с помощью механических устройств. Маркиз де Дион был одним из родоначальников автомобилестроения во Франции. На фото он управляет трехколесным автомобилем с паровым двигателем, который был построен им в 1897 г. Двигатель установлен спереди и имеет привод на заднее колесо. Паровые турбины сразу преобразуют энергию пара во вращательное движение. В XIX в некоторые изобретатели экспериментировали с паровыми турбинами, но только в 1884 г английский инженер Чарльз Парсонс создал рентабельную и работоспособную конструкцию. Спустя несколько лет после изобретения, его турбины стали использоваться на судах и в генераторах тока
Паровые двигатели и турбины преобразуют тепло в энергию. При этом тепло от сжигания топлива идет на кипячение воды, объем которой в парообразном состоянии увеличивается в 1600 раз, а давление пара создает движение. В поршневых двигателях пар расширяется в цилиндре и толкает поршень. Двухцилиндровый паровой двигатель с высокой степенью сжатия был раньше установлен на небольшом грузовом судне. В паровых турбинах расширяющийся пар вращает оснащенные лопатками роторы. В обоих случаях пар отдает тепловую энергию Паровые двигатели и турбины относятся к двигателям внешнего сгорания так как нагрев происходит вне рабочей камеры, обычно за счет сжигания топлива. Пар производят в котлах, нагреваемых при сжигании нефти или угля. На атомных электростанциях тепло обеспечивают ядерные реакции.
В простых паровых машинах пар создает давление на одной стороне цилиндра, заставляя его двигаться. Но в большинстве паровых двигателей обе стороны поршня используются для получения механической энергии. Сначала пар попадает на одну сторону и двигает поршень вперед, а затем на другую сторону, возвращая его назад. Поэтому такие двигатели называются двигателями двойного действия. Рабочий цикл начинается с подачи пара на одну сторону цилиндра через входное отверстие, после чего оно закрывается, а пар, расширяясь, толкает поршень вниз по цилиндру Затем пар поступает на другую сторону поршня, заставляя его возвращаться назад при этом пар на первой стороне выходит через выхлопное отверстие Пар поочередно подается на одну из сторон поршня, а другая сторона автоматически соединяется с выхлопным отверстием. В большинстве паровых двигателей всем рабочим циклом каждого поршня управляет один D-образный клапан. Он скользит взад-вперед, обеспечивая требуемое соединение с входным и выхлопным отверстиями пара. У некоторых больших паровых двигателей отдельные клапаны имеются по обе стороны поршня.
Возвратно поступательное движение преобразуется во вращательное с помощью шатуна и коленчатого вала. Коленчатый вал - это рычаг, соединенный с тяжелым маховиком а шатун соединяет этот вал с поршнем или его штоком. При движении поршня вперед и назад коленчатый вал вращается, а маховик выравнивает создаваемое вращательное усилие. Температура пара падает при его расширении в цилиндре. Подобный эффект можно наблюдать, используя аэрозольный баллон благодаря расширению газа вытеснителя возникает ощущение прохлады от струи аэрозоля. В простом паровом двигателе двойного действия пар, расширяясь, охлаждает ту часть цилиндра, куда будет подаваться свежий пар. При сильном расширении пара охлаждающий эффект может вызвать большие тепловые потери в двигателе. Эти потери можно компенсировать за счет сжигания большего количества топлива, но при этом снижается КПД двигателя. Температурные изменения можно уменьшить, если ограничить давление подаваемого в цилиндр пара для снижения степени его расширения. Однако при этом становится меньше и мощность двигателя.
Эта проблема решается, если позволить пару сначала частично расшириться в малом цилиндре высокого давления. Затем отработавший пар поступает в больший цилиндр низкого давления, где происходит его дальнейшее расширение. Паровые машины с двумя или несколькими такими цилиндрами называются комбинированными двигателями или компаундами. Двигатели с трехкратным расширением - это компаунды с цилиндрами высокого, среднего и низкого давления. Такие двигатели широко применялись на судах, а некоторые немецкие корабли оснащались двигателями с четвертой ступенью расширения.
Прямоточные двигатели позволяют снизить тепловые потери за счет резкого уменьшения колебаний температуры в цилиндре. Пар, подаваемый в разные части цилиндра, расширяется и выпускается через кольцо выхлопных отверстий в его центре. Поэтому цилиндр остается относительно горячим по краям и более прохладным в средней части, где он контактирует с расширенным паром. Тепловые потери введены к минимуму, так как ни одна часть цилиндра не подвергается большим изменениям температуры.
Главным рабочим органом турбины является ротор, оснащенный рядом лопаток. Он находится внутри корпуса с неподвижными лопатками, направляющими поток пара. Пар высокого давления вращает ротор. Пар поступает в корпус турбины через сопла. При выпуске пара его давление падает, и он расширяется. Это приводит к увеличению его скорости, которая может в несколько раз превышать скорость звука. Так, при расширении пара и падении его давления с 12 атм. до 0,5 атм. достигается скорость примерно 1100 м/с.
Движущийся с такой скоростью пар обладает большой энергией, но она не вся легко передается лопастям ротора турбины. Для максимальной передачи энергии пара турбине ее лопатки должны вращаться со скоростью, которая в два раза меньше скорости пара. Но зачастую этого трудно добиться, и потери энергии могут быть большими. Один из путей решения данной проблемы - установка нескольких рядов лопаток турбины, чтобы давление постепенно снижалось на каждом из них. Такие турбины называются компаундированными по давлению. Длина лопаток постепенно увеличивается в направлении от впускного к выпускному каналу, чтобы пару было где расширяться. В некоторых турбинах пар, пройдя один ряд лопаток, без дальнейшего расширения направляется на второй, а иногда и на третий ряд. Турбины такого типа называются компаундированными по скорости.
На одних пароходах турбины используются как привод для электрогенератора, вырабатывающего энергию для электродвигателя, который вращает гребной винт. На других судах турбина вращает гребной винт через ряд редукторов, снижающих скорость вращения до относительно малой величины, требуемой для экономичной работы винта. На больших судах вместо одного длинного ротора турбины можно установить бок о бок два более коротких ротора, соединенных с одним источником пара. Это позволяет уменьшить общую длину двигателя. Такие роторы называются перекрестно-компаундированными.
Гигантские турбины электростанций служат приводами для генераторов тока. При мощностях до 300 МВт (300 000 кВт) одна линия роторов турбины используется для одного генератора. При больших мощностях два перекрестно-компаундированных ротора подключены к отдельным генераторам. Генераторы электростанций вырабатывают переменный ток. Такой ток меняет свое направление много раз за секунду.
По сложившейся технической традиции, ставшей со временем промышленным стандартом, в большинстве стран и Западной, и Восточной Европы системы электроснабжения обеспечивают подачу тока, совершающего 50 циклов (циклом называются два полных изменения направления) в секунду. Это - частота сети, выражаемая в герцах (Гц) и равная в данном случае 50 Гц. (1 Гц = 1 цикл в секунду.) Частота вырабатываемого тока зависит от скорости вращения турбин и генераторов. Для производства тока частотой 50 Гц скорость вращения турбины должна быть 3000 об./мин В Северной Америке частота сетей электроснабжения 60 Гц обеспечивается за счет скорости вращения турбин 3600 об./мин.
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.prob.ru
На сайт
auto-dnevnik.com
Паровая тяга все еще обеспечивает значительную часть требуемой нам энергии. Даже лучшие из современных атомных реакторов всего лишь источники тепла, превращающие воду в пар для вращения турбин, соединенных с электрогенераторами. Первая паровая машина была изобретена в I в н. э. греческим инженером Геро Александрийским. Полый шар был подвижно закреплен на двух трубах, через которые подавался пар из небольшого котла. Пар наполнял шар и выходил через две трубки, отходящие от противоположных его сторон. Струи выходящего пара заставляли шар вращаться. Хотя это устройство и представляло определенный интерес, в те времена оно оказалось бесполезным. Первая паровая машина, нашедшая практическое применение, была создана в 1698 г английским инженером Томасом Сэвери. Пар охлаждался в камере до образования конденсата. В результате резкого уменьшения объема возникал парциальный вакуум, используемый для откачивания воды из угольных шахт. Сила поршня
В двигателе, изобретенном английским инженером Томасом Ньюкоменом ок. 1710 г, пар внутри цилиндра толкал вверх поршень. За тем цилиндр охлаждали, чтобы сконденсировать пар и вернуть поршень в нижнее положение. При конденсации пара давление в цилиндре падало, и атмосферного давления было достаточно, чтобы поршень опустился вниз. Поэтому Ньюкомен назвал свой двигатель пароатмосферным. Он применялся для работы шахтных насосов. Хотя эффективность этого двигателя была выше, чем у машины Сэвери, он работал очень медленно и с низким КПД. Это объясняется тем, что после охлаждения цилиндр нужно было снова нагревать, чтобы заставить пар толкать поршень вверх, иначе он бы сразу конденсировался. Двигатель Уатта
Эту проблему решил шотландский инженер Джеймс Уатт.В созданном им в 1769 г двигателе пар направлялся в отдельную камеру для конденсации. Так как цилиндр не нужно было поочередно нагревать и охлаждать, тепловые потери двигателя были относительно небольшими. Кроме того, двигатель Уатта был более быстродействующим, поскольку можно было подавать большее количество пара в цилиндр, как только поршень возвращался в свое исходное положение. Благодаря этому и другим усовершенствованиям, придуманным Уаттом, для паровой машины нашлись многочисленные практические применения. К наступлению викторианской эпохи мощные паровозы совершили революцию в средствах передвижения по суше. Паровые машины также обеспечивали энергию для печатания газет, ткачества и для работы стиральных машин в "паровых" прачечных. Паровые двигатели использовались на площадках аттракционов, а фермеры с помощью паровой тяги пахали землю. Уборщики пользовались работающими на пару пылесосами, а в престижных городских парикмахерских были даже щетки для массажа кожи головы с паровым приводом. Вращательное движение
В большинстве первых паровых машин двигающиеся в цилиндрах поршни создавали возвратно-поступательное движение, которое затем можно было преобразовывать во вращательное движение с помощью механических устройств. Маркиз де Дион был одним из родоначальников автомобилестроения во Франции. На фото он управляет трехколесным автомобилем с паровым двигателем, который был построен им в 1897 г. Двигатель установлен спереди и имеет привод на заднее колесо. Паровые турбины сразу преобразуют энергию пара во вращательное движение. В XIX в некоторые изобретатели экспериментировали с паровыми турбинами, но только в 1884 г английский инженер Чарльз Парсонс создал рентабельную и работоспособную конструкцию. Спустя несколько лет после изобретения, его турбины стали использоваться на судах и в генераторах тока Преобразование энергии
Паровые двигатели и турбины преобразуют тепло в энергию. При этом тепло от сжигания топлива идет на кипячение воды, объем которой в парообразном состоянии увеличивается в 1600 раз, а давление пара создает движение. В поршневых двигателях пар расширяется в цилиндре и толкает поршень. Двухцилиндровый паровой двигатель с высокой степенью сжатия был раньше установлен на небольшом грузовом судне. В паровых турбинах расширяющийся пар вращает оснащенные лопатками роторы. В обоих случаях пар отдает тепловую энергию Паровые двигатели и турбины относятся к двигателям внешнего сгорания так как нагрев происходит вне рабочей камеры, обычно за счет сжигания топлива. Пар производят в котлах, нагреваемых при сжигании нефти или угля. На атомных электростанциях тепло обеспечивают ядерные реакции. Двойное действие
В простых паровых машинах пар создает давление на одной стороне цилиндра, заставляя его двигаться. Но в большинстве паровых двигателей обе стороны поршня используются для получения механической энергии. Сначала пар попадает на одну сторону и двигает поршень вперед, а затем на другую сторону, возвращая его назад. Поэтому такие двигатели называются двигателями двойного действия. Рабочий цикл начинается с подачи пара на одну сторону цилиндра через входное отверстие, после чего оно закрывается, а пар, расширяясь, толкает поршень вниз по цилиндру Затем пар поступает на другую сторону поршня, заставляя его возвращаться назад при этом пар на первой стороне выходит через выхлопное отверстие Пар поочередно подается на одну из сторон поршня, а другая сторона автоматически соединяется с выхлопным отверстием. В большинстве паровых двигателей всем рабочим циклом каждого поршня управляет один D-образный клапан. Он скользит взад-вперед, обеспечивая требуемое соединение с входным и выхлопным отверстиями пара. У некоторых больших паровых двигателей отдельные клапаны имеются по обе стороны поршня. Коленчатый вал
Возвратно поступательное движение преобразуется во вращательное с помощью шатуна и коленчатого вала. Коленчатый вал - это рычаг, соединенный с тяжелым маховиком а шатун соединяет этот вал с поршнем или его штоком. При движении поршня вперед и назад коленчатый вал вращается, а маховик выравнивает создаваемое вращательное усилие. Температура пара падает при его расширении в цилиндре. Подобный эффект можно наблюдать, используя аэрозольный баллон благодаря расширению газа вытеснителя возникает ощущение прохлады от струи аэрозоля. В простом паровом двигателе двойного действия пар, расширяясь, охлаждает ту часть цилиндра, куда будет подаваться свежий пар. При сильном расширении пара охлаждающий эффект может вызвать большие тепловые потери в двигателе. Эти потери можно компенсировать за счет сжигания большего количества топлива, но при этом снижается КПД двигателя. Температурные изменения можно уменьшить, если ограничить давление подаваемого в цилиндр пара для снижения степени его расширения. Однако при этом становится меньше и мощность двигателя. Компаунды
Эта проблема решается, если позволить пару сначала частично расшириться в малом цилиндре высокого давления. Затем отработавший пар поступает в больший цилиндр низкого давления, где происходит его дальнейшее расширение. Паровые машины с двумя или несколькими такими цилиндрами называются комбинированными двигателями или компаундами. Двигатели с трехкратным расширением - это компаунды с цилиндрами высокого, среднего и низкого давления. Такие двигатели широко применялись на судах, а некоторые немецкие корабли оснащались двигателями с четвертой ступенью расширения. Прямоточные двигатели
Прямоточные двигатели позволяют снизить тепловые потери за счет резкого уменьшения колебаний температуры в цилиндре. Пар, подаваемый в разные части цилиндра, расширяется и выпускается через кольцо выхлопных отверстий в его центре. Поэтому цилиндр остается относительно горячим по краям и более прохладным в средней части, где он контактирует с расширенным паром. Тепловые потери введены к минимуму, так как ни одна часть цилиндра не подвергается большим изменениям температуры. Турбины
Главным рабочим органом турбины является ротор, оснащенный рядом лопаток. Он находится внутри корпуса с неподвижными лопатками, направляющими поток пара. Пар высокого давления вращает ротор. Пар поступает в корпус турбины через сопла. При выпуске пара его давление падает, и он расширяется. Это приводит к увеличению его скорости, которая может в несколько раз превышать скорость звука. Так, при расширении пара и падении его давления с 12 атм. до 0,5 атм. достигается скорость примерно 1100 м/с. Высокая скорость, большая энергия
Движущийся с такой скоростью пар обладает большой энергией, но она не вся легко передается лопастям ротора турбины. Для максимальной передачи энергии пара турбине ее лопатки должны вращаться со скоростью, которая в два раза меньше скорости пара. Но зачастую этого трудно добиться, и потери энергии могут быть большими. Один из путей решения данной проблемы - установка нескольких рядов лопаток турбины, чтобы давление постепенно снижалось на каждом из них. Такие турбины называются компаундированными по давлению. Длина лопаток постепенно увеличивается в направлении от впускного к выпускному каналу, чтобы пару было где расширяться. В некоторых турбинах пар, пройдя один ряд лопаток, без дальнейшего расширения направляется на второй, а иногда и на третий ряд. Турбины такого типа называются компаундированными по скорости. Судовые турбины
На одних пароходах турбины используются как привод для электрогенератора, вырабатывающего энергию для электродвигателя, который вращает гребной винт. На других судах турбина вращает гребной винт через ряд редукторов, снижающих скорость вращения до относительно малой величины, требуемой для экономичной работы винта. На больших судах вместо одного длинного ротора турбины можно установить бок о бок два более коротких ротора, соединенных с одним источником пара. Это позволяет уменьшить общую длину двигателя. Такие роторы называются перекрестно-компаундированными. Электростанции
Гигантские турбины электростанций служат приводами для генераторов тока. При мощностях до 300 МВт (300 000 кВт) одна линия роторов турбины используется для одного генератора. При больших мощностях два перекрестно-компаундированных ротора подключены к отдельным генераторам. Генераторы электростанций вырабатывают переменный ток. Такой ток меняет свое направление много раз за секунду. Частота сети
По сложившейся технической традиции, ставшей со временем промышленным стандартом, в большинстве стран и Западной, и Восточной Европы системы электроснабжения обеспечивают подачу тока, совершающего 50 циклов (циклом называются два полных изменения направления) в секунду. Это - частота сети, выражаемая в герцах (Гц) и равная в данном случае 50 Гц. (1 Гц = 1 цикл в секунду.) Частота вырабатываемого тока зависит от скорости вращения турбин и генераторов. Для производства тока частотой 50 Гц скорость вращения турбины должна быть 3000 об./мин В Северной Америке частота сетей электроснабжения 60 Гц обеспечивается за счет скорости вращения турбин 3600 об./мин. Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.prob.ru
На сайт
www.ronl.ru
Реферат на тему:
Парова́я маши́на — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.
Паровая машина
Горизонтальная стационарная двухцилиндровая паровая машина для привода заводских трансмиссий. Конец XIX в. Экспонат Музея Индустриальной Культуры. Нюрнберг
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 и электромоторами, КПД которых выше.
Паровые турбины, формально 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.
Для привода паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар 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 дров до урана.
Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским философом, астрономом и инженером XVI века Таги-аль-Диноме. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 г. 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. Только в конце 17-го столетия паровые двигатели были созданы как единичные курьёзы. Первая машина была создана испанским изобретателем Йеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т.Сейвери (см. ниже). Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 г. англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 г. он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в 19-ом столетии). 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-ых 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 г. 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 Таги-аль-Дина и Сейвери; 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 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». Это был усовершенствованный паровой двигатель Сейвери, 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 (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. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком.
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.
Гравюра двигателя Ньюкомена. Это изображение скопировано с рисунка в работе Дезаглирса «курс экспериментальной философии», 1744, которая является изменённой копией гравюры Генри Битона, датированной 1717 годом. Вероятно, изображён второй двигатель [хой]Ньюкомена, установленный приблизительно в 1714 в угольной шахте Гриф в Уоркшире.
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.
Поршень связан цепью с концом большого коромысла, вращающегося вокруг своей середины. Насос под нагрузкой связан цепью с противоположным концом коромысла, которое под действием насоса возвращает поршень к верхней части цилиндра силой гравитации. Так происходит обратный ход. Давление пара низкое и не может противодействовать движению поршня.[1]
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 1774 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.
версия паровой машины, созданная Уаттом
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.[1]
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.
Приблизительно в 1811 году Ричарду Тревитнику потребовалось усовершенствовать машину Уатта, для того чтобы приспособить её к новым котлам Корниша. Давление пара над поршнем достигло 275 кПа (2,8 атмосферы), и именно оно давало основную мощность для совершения рабочего хода; кроме того, был существенно усовершенствован конденсатор. Такие машины получили название машин Корниша, и строились вплоть до 1890-х годов. Множество старых машин Уатта было реконструировано до этого уровня. Некоторые машины Корниша имели весьма большой размер.
В паровых машинах пар поступает из котла в рабочую камеру цилиндра, где расширяется, оказывая давление на поршень и совершая полезную работу. После этого расширенный пар может выпускаться в атмосферу или поступать в конденсатор. Важное отличие машин высокого давления от вакуумных состоит в том, что давление отработанного пара превышает атмосферное или равно ему, то есть вакуум не создаётся. Отработанный пар обычно имел давление выше атмосферного и часто выбрасывался в дымовую трубу, что позволяло увеличить тягу котла.
Важность увеличения давления пара состоит в том, что при этом он приобретает более высокую температуру. Таким образом, паровая машина высокого давления работает при большей разнице температур чем та, которую можно достичь в вакуумных машинах. После того, как машины высокого давления заменили вакуумные, они стали основой для дальнейшего развития и совершенствования всех возвратно-поступательных паровых машин. Однако то давление, которое считалось в 1800 году высоким (275—345 кПа), сейчас рассматривается как очень низкое — давление в современных паровых котлах в десятки раз выше.
Дополнительное преимущество машин высокого давления состоит в том, что они намного меньше при заданном уровне мощности, и соответственно, существенно менее дорогие. Кроме того, такая паровая машина может быть достаточно лёгкой и компактной, чтобы использоваться на транспортных средствах. Возникший в результате паровой транспорт (паровозы, пароходы) революционизировал коммерческие и пассажирские перевозки, военную стратегию, и вообще затронул практически каждый аспект общественной жизни.
Схема горизонтальной одноцилиндровой паровой машины высокого давления, двойного действия. Отбор мощности осуществляется приводным ремнем:1 — Поршень2 — Шток поршня3 — Ползун4 — Шатун5 — Коленчатый вал6 — Эксцентрик для привода клапана7 — Маховик8 — Золотник9 — Центробежный регулятор.
Следующим важным шагом в развитии паровых машин высокого давления стало появление машин двойного действия. В машинах одиночного действия поршень перемещался в одну сторону силой расширяющегося пара, но обратно он возвращался или под действием гравитации, или за счёт момента инерции вращающегося маховика, соединённого с паровой машиной.
В паровых машинах двойного действия свежий пар поочередно подается в обе стороны рабочего цилиндра, в то время как отработанный пар с другой стороны цилиндра выходит в атмосферу или в конденсатор. Это потребовало создания достаточно сложного механизма парораспределения. Принцип двойного действия повышает скорость работы машины и улучшает плавность хода.
Поршень такой паровой машины соединён со скользящим штоком, выходящим из цилиндра. К этому штоку крепится качающийся шатун, приводящий в движение кривошип маховика. Система парораспределения приводится в действие другим кривошипным механизмом. Механизм парораспределения может иметь функцию реверса для того, чтобы можно было менять направление вращения маховика машины.
Паровая машина двойного действия примерно вдвое мощнее обычной паровой машины, и кроме того, может работать с намного более легким маховиком. Это уменьшает вес и стоимость машин.
Большинство возвратно-поступательных паровых машин использует именно этот принцип работы, что хорошо видно на примере паровозов. Когда такая машина имеет два или более цилиндров, кривошипы устанавливаются со сдвигом в 90 градусов для того, чтобы гарантировать возможность запуска машины при любом положении поршней в цилиндрах. Некоторые колёсные пароходы имели одноцилиндровую паровую машину двойного действия, и на них приходилось следить, чтобы колесо не останавливалось в мёртвой точке, то есть в таком положении, при котором запуск машины невозможен.
Индикаторная диаграмма, показывающая четырёхфазный цикл поршневой паровой машины двойного действия
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 дает 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.[2][3]
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.
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.[4]
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.
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:
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.[5]
1907
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).
1890s
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, 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 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 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.
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.
Основной сферой применения паровых турбин является выработка электроэнергии (около 86 % мирового производства электроэнергии производится паровыми турбинами), кроме того, они часто используются в качестве судовых двигателей (в том числе на атомных кораблях и подводных лодках). Было также построено некоторое количество паротурбовозов, но они не получили широкого распространения и были быстро вытеснены тепловозами и электровозами.
Кроме поршневых паровых машин, в 19-м веке активно использовались роторные паровые машины. В России, во второй половине 19-го века они назывались «коловратные машины» (то есть «вращающие колесо» от слова «коло» — «колесо»). Их было несколько типов, но наиболее успешной и эффективной была «коловратная машина» петербургского инженера-механика Н. Н. Тверского. Паровой двигатель Н. Н. Тверского . Машина представляла собой цилиндрический корпус, в котором вращался ротор-крыльчатка, а запирали камеры расширения особые запорные барабанчики. «Коловратная машина» Н. Н. Тверского не имела ни одной детали, которая бы совершала возвратно-поступательные движения и была идеально уравновешена. Двигатель Тверского создавался и эксплуатировался преимущественно на энтузиазме его автора, однако он использовался во многих экземплярах на малых судах, на фабриках и для привода динамо-машин. Один из двигателей даже установили на императорской яхте «Штандарт», а в качестве расширительной машины — с приводом от баллона со сжатым газом аммиаком, этот двигатель приводил в движение в подводном положении одну из первых экспериментальных подводных лодок — «подводную миноноску», которая испытывалась Н. Н. Тверским в 80-х годах 19-го столетия в водах Финского залива. Однако со временем, когда паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания и электромоторами, «коловратная машина» Н. Н. Тверского была практически забыта. Однако эти «коловратные машины» можно считать прообразами сегодняшних роторных двигателей внутреннего сгорания.
Паровые машины могут быть классифицированы по их применению следующим образом:
Паровой молот
Паровая машина на старой сахарной фабрике, Куба
Стационарные 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.
Паровоз
Паровые машины использовались для привода различных типов транспортных средств, среди них:
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.
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 (обычно паровые турбины). 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 (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 (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
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 T1 в начале цикла (достигаемая, например, с помощью пароперегрева) и как можно более низкая температура T2 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.
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.
У паровых машин очень важным свойством является то, что изотермическое расширение и сжатие происходят при постоянном давлении. Поэтому теплообменник может иметь любой размер, а перепад температур между рабочим телом и охладителем или нагревателем составляют чуть ли не 1 градус. В результате тепловые потери могут быть сведены к минимуму. Для сравнения, перепады температур между нагревателем или охладителем и рабочим телом в стирлингах может достигать 100 °C.
На 4-м канале Британского телевидения с 1998 года проводится реалити-шоу «Scrapheap Challenge» («Вызов со свалки»), в котором друг против друга выступают две команды из трёх постоянных участников и одного специалиста. Командам даётся 10 часов для постройки заданной машины из частей, которые они находят на свалке металлолома, а затем устраиваются гонки. В 2007 году команды британских и американских инженеров строили колёсный пароход в духе Брюнеля. При этом британская команда использовала для управления паровой машиной электрическую систему с микровыключателями и соленоидными клапанами. Их пароход набрал скорость, близкую к дизельной лодке американской команды.
wreferat.baza-referat.ru
Паровая тяга все еще обеспечивает значительную часть требуемой нам энергии. Даже лучшие из современных атомных реакторов всего лишь источники тепла, превращающие воду в пар для вращения турбин, соединенных с электрогенераторами.
Первая паровая машина была изобретена в I в н. э. греческим инженером Геро Александрийским. Полый шар был подвижно закреплен на двух трубах, через которые подавался пар из небольшого котла. Пар наполнял шар и выходил через две трубки, отходящие от противоположных его сторон. Струи выходящего пара заставляли шар вращаться. Хотя это устройство и представляло определенный интерес, в те времена оно оказалось бесполезным.
Первая паровая машина, нашедшая практическое применение, была создана в 1698 г английским инженером Томасом Сэвери. Пар охлаждался в камере до образования конденсата. В результате резкого уменьшения объема возникал парциальный вакуум, используемый для откачивания воды из угольных шахт.
Сила поршня
В двигателе, изобретенном английским инженером Томасом Ньюкоменом ок. 1710 г, пар внутри цилиндра толкал вверх поршень. За тем цилиндр охлаждали, чтобы сконденсировать пар и вернуть поршень в нижнее положение. При конденсации пара давление в цилиндре падало, и атмосферного давления было достаточно, чтобы поршень опустился вниз. Поэтому Ньюкомен назвал свой двигатель пароатмосферным. Он применялся для работы шахтных насосов. Хотя эффективность этого двигателя была выше, чем у машины Сэвери, он работал очень медленно и с низким КПД. Это объясняется тем, что после охлаждения цилиндр нужно было снова нагревать, чтобы заставить пар толкать поршень вверх, иначе он бы сразу конденсировался.
Двигатель Уатта
Эту проблему решил шотландский инженер Джеймс Уатт.В созданном им в 1769 г двигателе пар направлялся в отдельную камеру для конденсации.
Возможно вы искали - Доклад: Ветер
Так как цилиндр не нужно было поочередно нагревать и охлаждать, тепловые потери двигателя были относительно небольшими. Кроме того, двигатель Уатта был более быстродействующим, поскольку можно было подавать большее количество пара в цилиндр, как только поршень возвращался в свое исходное положение. Благодаря этому и другим усовершенствованиям, придуманным Уаттом, для паровой машины нашлись многочисленные практические применения.
К наступлению викторианской эпохи мощные паровозы совершили революцию в средствах передвижения по суше. Паровые машины также обеспечивали энергию для печатания газет, ткачества и для работы стиральных машин в "паровых" прачечных. Паровые двигатели использовались на площадках аттракционов, а фермеры с помощью паровой тяги пахали землю. Уборщики пользовались работающими на пару пылесосами, а в престижных городских парикмахерских были даже щетки для массажа кожи головы с паровым приводом.
Вращательное движение
В большинстве первых паровых машин двигающиеся в цилиндрах поршни создавали возвратно-поступательное движение, которое затем можно было преобразовывать во вращательное движение с помощью механических устройств.
Маркиз де Дион был одним из родоначальников автомобилестроения во Франции. На фото он управляет трехколесным автомобилем с паровым двигателем, который был построен им в 1897 г. Двигатель установлен спереди и имеет привод на заднее колесо.
Паровые турбины сразу преобразуют энергию пара во вращательное движение. В XIX в некоторые изобретатели экспериментировали с паровыми турбинами, но только в 1884 г английский инженер Чарльз Парсонс создал рентабельную и работоспособную конструкцию. Спустя несколько лет после изобретения, его турбины стали использоваться на судах и в генераторах тока
Преобразование энергии
Похожий материал - Доклад: Вертолет
Паровые двигатели и турбины преобразуют тепло в энергию. При этом тепло от сжигания топлива идет на кипячение воды, объем которой в парообразном состоянии увеличивается в 1600 раз, а давление пара создает движение. В поршневых двигателях пар расширяется в цилиндре и толкает поршень.
Двухцилиндровый паровой двигатель с высокой степенью сжатия был раньше установлен на небольшом грузовом судне.
В паровых турбинах расширяющийся пар вращает оснащенные лопатками роторы. В обоих случаях пар отдает тепловую энергию
Паровые двигатели и турбины относятся к двигателям внешнего сгорания так как нагрев происходит вне рабочей камеры, обычно за счет сжигания топлива. Пар производят в котлах, нагреваемых при сжигании нефти или угля. На атомных электростанциях тепло обеспечивают ядерные реакции.
Двойное действие
В простых паровых машинах пар создает давление на одной стороне цилиндра, заставляя его двигаться. Но в большинстве паровых двигателей обе стороны поршня используются для получения механической энергии. Сначала пар попадает на одну сторону и двигает поршень вперед, а затем на другую сторону, возвращая его назад. Поэтому такие двигатели называются двигателями двойного действия.
Очень интересно - Курсовая работа: Радиопередающие устройства
Рабочий цикл начинается с подачи пара на одну сторону цилиндра через входное отверстие, после чего оно закрывается, а пар, расширяясь, толкает поршень вниз по цилиндру Затем пар поступает на другую сторону поршня, заставляя его возвращаться назад при этом пар на первой стороне выходит через выхлопное отверстие Пар поочередно подается на одну из сторон поршня, а другая сторона автоматически соединяется с выхлопным отверстием.
В большинстве паровых двигателей всем рабочим циклом каждого поршня управляет один D-образный клапан. Он скользит взад-вперед, обеспечивая требуемое соединение с входным и выхлопным отверстиями пара. У некоторых больших паровых двигателей отдельные клапаны имеются по обе стороны поршня.
Коленчатый вал
Возвратно поступательное движение преобразуется во вращательное с помощью шатуна и коленчатого вала. Коленчатый вал - это рычаг, соединенный с тяжелым маховиком а шатун соединяет этот вал с поршнем или его штоком. При движении поршня вперед и назад коленчатый вал вращается, а маховик выравнивает создаваемое вращательное усилие.
Температура пара падает при его расширении в цилиндре. Подобный эффект можно наблюдать, используя аэрозольный баллон благодаря расширению газа вытеснителя возникает ощущение прохлады от струи аэрозоля. В простом паровом двигателе двойного действия пар, расширяясь, охлаждает ту часть цилиндра, куда будет подаваться свежий пар.
При сильном расширении пара охлаждающий эффект может вызвать большие тепловые потери в двигателе. Эти потери можно компенсировать за счет сжигания большего количества топлива, но при этом снижается КПД двигателя. Температурные изменения можно уменьшить, если ограничить давление подаваемого в цилиндр пара для снижения степени его расширения. Однако при этом становится меньше и мощность двигателя.
Компаунды
Вам будет интересно - Доклад: Космос в промышленности
Эта проблема решается, если позволить пару сначала частично расшириться в малом цилиндре высокого давления. Затем отработавший пар поступает в больший цилиндр низкого давления, где происходит его дальнейшее расширение. Паровые машины с двумя или несколькими такими цилиндрами называются комбинированными двигателями или компаундами.
Двигатели с трехкратным расширением - это компаунды с цилиндрами высокого, среднего и низкого давления. Такие двигатели широко применялись на судах, а некоторые немецкие корабли оснащались двигателями с четвертой ступенью расширения.
Прямоточные двигатели
Прямоточные двигатели позволяют снизить тепловые потери за счет резкого уменьшения колебаний температуры в цилиндре. Пар, подаваемый в разные части цилиндра, расширяется и выпускается через кольцо выхлопных отверстий в его центре. Поэтому цилиндр остается относительно горячим по краям и более прохладным в средней части, где он контактирует с расширенным паром. Тепловые потери введены к минимуму, так как ни одна часть цилиндра не подвергается большим изменениям температуры.
Турбины
Главным рабочим органом турбины является ротор, оснащенный рядом лопаток. Он находится внутри корпуса с неподвижными лопатками, направляющими поток пара. Пар высокого давления вращает ротор.
Пар поступает в корпус турбины через сопла. При выпуске пара его давление падает, и он расширяется. Это приводит к увеличению его скорости, которая может в несколько раз превышать скорость звука. Так, при расширении пара и падении его давления с 12 атм. до 0,5 атм. достигается скорость примерно 1100 м/с.
Высокая скорость, большая энергия
Похожий материал - Доклад: Вечный пылесос
Движущийся с такой скоростью пар обладает большой энергией, но она не вся легко передается лопастям ротора турбины. Для максимальной передачи энергии пара турбине ее лопатки должны вращаться со скоростью, которая в два раза меньше скорости пара. Но зачастую этого трудно добиться, и потери энергии могут быть большими. Один из путей решения данной проблемы - установка нескольких рядов лопаток турбины, чтобы давление постепенно снижалось на каждом из них. Такие турбины называются компаундированными по давлению. Длина лопаток постепенно увеличивается в направлении от впускного к выпускному каналу, чтобы пару было где расширяться.
В некоторых турбинах пар, пройдя один ряд лопаток, без дальнейшего расширения направляется на второй, а иногда и на третий ряд. Турбины такого типа называются компаундированными по скорости.
Судовые турбины
На одних пароходах турбины используются как привод для электрогенератора, вырабатывающего энергию для электродвигателя, который вращает гребной винт. На других судах турбина вращает гребной винт через ряд редукторов, снижающих скорость вращения до относительно малой величины, требуемой для экономичной работы винта.
На больших судах вместо одного длинного ротора турбины можно установить бок о бок два более коротких ротора, соединенных с одним источником пара. Это позволяет уменьшить общую длину двигателя. Такие роторы называются перекрестно-компаундированными.
Электростанции
cwetochki.ru
