Как работает паровой двигатель

Принцип работы парового двигателя

Паровой двигатель — тепловой поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия водяного пара, поступающего из парового котла, преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня или вращательного движения вала.

Пар является одним из распространенных теплоносителей в тепловых системах с нагреваемым жидким или газообразным рабочим телом наряду с водой и термомаслами. Водяной пар имеет ряд преимуществ, среди которых простота и и гибкость использования, низкая токсичность, возможность подведения к технологическому процессу значительного количества энергии. Он может использоваться в разнообразных системах, подразумевающих непосредственный контакт теплоносителя с различными элементами оборудования, эффективно способствуя снижению затрат на энергоресурсы, сокращению выбросов, быстрой окупаемости.

Закон сохранения энергии— фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что энергия изолированной (замкнутой) физической системы сохраняется с течением времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть в никуда, она может только переходить из одной формы в другую. С фундаментальной точки зрения, согласно теореме Нётер, закон сохранения энергии является следствием однородности времени и в этом смысле является универсальным, то есть присущим системам самой разной физической природы.

История изобретения паровых машин. Создание паровой машины

Возможности в использовании энергии пара были известны в начале нашей эры. Это подтверждает прибор под названием Героновский эолипил, созданный древнегреческим механиком Героном Александрийским. Древнее изобретение можно отнести к паровой турбине, шар которой вращался благодаря силе струй водяного пара.

Приспособить пар для работы двигателей стало возможным в XVII веке. Пользовались подобным изобретением недолго, однако оно внесло существенный вклад в развитие человечества. К тому же история изобретения паровых машин очень увлекательна.

Понятие

Паровая машина состоит из теплового двигателя внешнего сгорания, который из энергии водяного пара создает механическое движение поршня, а тот, в свою очередь, вращает вал. Мощность паровой машины принято измерять в ваттах.

Принцип действия

Для работы всей системы необходим паровой котел. Образовавшийся пар расширяется и давит на поршень, в результате чего происходит движение механических частей. Принцип действия лучше изучить с помощью иллюстрации, представленной ниже.

Если не расписывать детали, то работа паровой машины заключается в преобразовании энергии пара в механическое движение поршня.

Коэффициент полезного действия

КПД паровой машины определяется отношением полезной механической работы по отношению к затраченному количеству тепла, которое содержится в топливе. В расчет не берется энергия, которая выделяется в окружающую среду в качестве тепла.

КПД паровой машины измеряется в процентах. Практический КПД будет составлять 1-8%. При наличии конденсатора и расширении проточной части показатель может возрасти до 25%.

Преимущества

Главным преимуществом парового оборудования является то, что котел в качестве топлива может использовать любой источник тепла, как уголь, так и уран. Это существенно отличает его от двигателя внутреннего сгорания. В зависимости от типа последнего требуется определенный вид топлива.

История изобретения паровых машин показала преимущества, которые заметны и сегодня, поскольку для парового аналога можно использовать ядерную энергию. Сам по себе ядерный реактор не может преобразовывать свою энергию в механическую работу, но он способен выделять большое количество тепла. Оно то и используется для образования пара, который приведет машину в движение. Таким же образом может применяться солнечная энергия.

Локомотивы, работающие на пару, хорошо показывают себя на большой высоте. Эффективность их работы не страдает от пониженного в горах атмосферного давления. Паровозы до сих пор применяют в горах Латинской Америки.

В Австрии и Швейцарии используют новые версии паровозов, работающих на сухом пару. Они показывают высокую эффективность благодаря многим усовершенствованиям. Они не требовательны в обслуживании и потребляют в качестве топлива легкие нефтяные фракции. По экономическим показателям они сравнимы с современными электровозами. При этом паровозы значительно легче своих дизельных и электрических собратьев. Это большое преимущество в условиях горной местности.

Недостатки

К недостаткам относится, прежде всего, низкий КПД. К этому стоит добавить громоздкость конструкции и тихоходность. Особенно это стало заметно после появления двигателя внутреннего сгорания.

Применение

До середины ХХ века паровые машины применяли в промышленности. Также их использовали для железнодорожного и парового транспорта.

Заводы, которые эксплуатировали паровые двигатели:

• сахарные;
• спичечные;
• бумажные фабрики;
• текстильные;
• пищевые предприятия (в отдельных случаях).

Паровые турбины также относятся к данному оборудованию. С их помощью до сих пор работают генераторы электроэнергии. Около 80% мировой электроэнергии вырабатывается с применением паровых турбин.

В свое время были созданы различные виды транспорта, работающие на паровом двигателе. Некоторые не прижились из-за нерешенных проблем, а другие продолжают работать и в наши дни.

Транспорт с паровым двигателем:

• автомобиль;
• трактор;
• экскаватор;
• самолет;
• локомотив;
• судно;
• тягач.

Большая часть подобного транспорта стала непопулярной после появления двигателя внутреннего сгорания, чей КПД значительно выше. Такие машины были более экономичными, при этом легкими и скоростными.

Настольная рабочая модель двигателя Стирлинга

Типы двигателей

Двигатели бывают двух основных типов:

• двигатели внешнего сгорания (например, паровые двигатели) сжигают топливо в одном месте и производят энергию в другой части той же машины;
• двигатели внутреннего сгорания (например, автомобильные двигатели) сжигают топливо и производят мощность в одном и том же месте (в автомобиле все это происходит в сверхпрочных металлических цилиндрах).

Оба типа двигателей полагаются на тепловую энергию, заставляющую газ расширяться, а затем остывать.

Чем больше разница температур (между самым горячим и самым холодным газом), тем лучше работает двигатель.

Как работает паровой двигатель

Есть угольный костер, который нагревает воду до тех пор, пока она не закипит и не превратится в пар.

Пар проходит по трубе в цилиндр через открытый входной клапан, где он толкает поршень и приводит в движение колесо.

Затем входной клапан закрывается, и открывается выходной клапан.

Импульс колеса заставляет поршень вернуться в цилиндр, где он выталкивает охлажденный нежелательный пар через выход и дальше вверх по дымовой трубе (дымоходу).

Детали парового двигателя

Паровые двигатели, такие как у этого Локомотива, являются примерами двигателей внешнего сгорания.

Огонь, который и создаёт теплоту, пламя и является источником энергии (1), находится снаружи (вне) цилиндра, где тепловая энергия превращается в механическую энергию (3). Между ними есть котел (2), который превращает тепловую энергию в пар. Пар действует как теплоноситель, толкая поршень (4), который перемещает колеса с помощью кривошипа (5) и приводит в движение поезд (6). Пар и тепловая энергия постоянно выбрасываются из дымовой трубы (7), что делает этот способ особенно неэффективным и неудобным для питания движущейся машины.

Есть много проблем с паровыми двигателями, но вот четыре из них — наиболее очевидных.

Во-первых, котел, который производит пар, работает под высоким давлением, и существует риск, что он может взорваться (взрывы котлов были серьезной проблемой с очень ранними паровыми двигателями).

Взрыв парового котла паровоза

Во-вторых, котел обычно находится на некотором расстоянии от цилиндра, поэтому энергия теряется по пути. Температура внутри кабины машиниста была как в бане – доходила до 100 градусов. Всё это тепло расходовалось, по сути, впустую.

В-третьих, пар, выходящий из дымовой трубы, все еще достаточно горяч, поэтому он содержит потраченную энергию, которая никак не конвертировалась в механическую.

В-четвертых, поскольку пар выбрасывается из цилиндра каждый раз, когда поршень толкается вперед, двигатель должен потреблять огромное количество воды, а также топлива.

Как работает локомотив

1. Топка
2. Дверь Топки
3. Колосники / Колосниковая Решетка
4. Поддувало – место для поддува воздуха
5. Уголь
6. Вода
7. Жаровые трубы
8. Регулятор
9. Коллектор для другого парового оборудования (т. е. свисток, перерывы, воздуходувка и т. д)
10. Паровой купол
11. Главная Паровая Труба
12. Выхлопная труба
13. Взрывная Труба
14. Цилиндр
15. Поршень
16. Задвижка
17. Дымоход
18. Шатун
19. Рукоятка
20. Ведущее колесо
21. Паропровод для тормозов поезда
22. Боковые резервуары для воды
23. Песочница, для тяги по мокрым рельсам
24. Дымосборник
25. Предохранительный клапан

Паровой двигатель использует угольный огонь (хотя есть и некоторые исключения) в качестве источника энергии для кипячения воды и получения пара.

Горячие газы от горящего угля в топке проходят через котел в «огненных трубах» (144 штуки в случае Локомотива «Барклай»), прежде чем покинуть двигатель через дымовую трубу и дымоход.

По мере того как вода в котле закипает, горячий “мокрый” пар поднимается вверх и собирается из парового купола на верхней части котла через регулирующий клапан, который машинист использует для управления скоростью движения локомотивов.

Из регулятора пар подается по трубопроводу в цилиндры и поочередно поступает через клапаны-золотники (расположенные сбоку корпуса цилиндра), толкая поршень в цилиндре вперед и назад.

Поршень соединен с ведущими колесами через «шатун» и «кривошип» (или «клапанный механизм», как его обычно называют), и движение поршня туда-сюда вращает ведущие колеса. Каждый раз, когда поршень цилиндра движется вперед и назад, ведущее колесо совершает полный оборот.

Рычаг «кривошипа» на каждой стороне локомотива смещен на 90 градусов, чтобы предотвратить его заклинивание, если паровоз остановится с ними в горизонтальном положении.

После выхода из цилиндра отработанный пар выходит из двигателя через дутьевую трубу и поднимается в дымоход в коптильне. Действие пара в дутьевой трубе создает более низкое давление в дымовой трубе, а также помогает вытягивать горячие газы из огня через трубы котла и в свою очередь производить больше пара.

инженеров.net — научно-познавательный сайт

GPS как это работает Паровой двигатель, принцип работы

Паровой двигатель, принцип работы

Паровые двигатели были установлены и приводили в движение большую часть паровозов в период начала 1800 и вплоть до 1950 годов прошлого века. Хочется отметить, что принцип работы этих двигателей всегда оставался неизменным, несмотря на изменение их конструкции и габаритов.

На анимированной иллюстрации приведен принцип работы парового двигателя.

Для генерации подаваемого на двигатель пара использовались котлы, работающие как на дровах и угле, так и на жидком топливе.

Первый такт

Пар из котла поступает в паровую камеру, из которой через паровую задвижку-клапан (обозначена синим цветом) попадает в верхнюю (переднюю) часть цилиндра. Давление, создаваемое паром, толкает поршень вниз к НМТ. Во время движения поршня от ВМТ к НМТ колесо делает пол оборота.

Выпуск

В самом конце движения поршня к НМТ паровой клапан смещается, выпуская остатки пара через выпускное окно, расположенное ниже клапана. Остатки пара вырываются наружу, создавая характерный для работы паровых двигателей звук.

Второй такт

В то же самое время, смещение клапана на выпуск остатков пара открывает вход пара в нижнюю (заднюю) часть цилиндра. Созданное паром в цилиндре давление заставляет поршень двигаться к ВМТ. В это время колесо делает еще пол оборота.

Выпуск

В конце движения поршня к ВМТ остатки пара освобождаются через все то же выпускное окно.

Цикл повторяется заново.

Паровой двигатель имеет т.н. мертвую точку в конце каждого хода, когда клапан переходит от такта расширения к выпуску. По этой причине каждый паровой двигатель имеет два цилиндра, что позволяет запускать двигатель из любого положения.

Паровая машина HTML5

Как следует из названия, паровой двигатель работает от силы водяного пара, нагретого до высокого давления. Дан­ная тех­но­ло­гия пре­об­ра­зу­ет те­п­ло­вую энер­гию (те­п­ло­ту) в ме­ха­ни­че­скую (ра­бо­ту).

В кот­ле на­гре­ва­ет­ся во­да для даль­ней­ше­го пре­об­ра­зо­ва­ния её в пар. Вы­ра­бо­тан­ный пар в даль­ней­шем ис­поль­зу­ет­ся для то­го, что­бы пе­ре­ме­щать пор­шень внут­ри ци­лин­д­ра. Пор­шень при­кре­п­лён к ры­ча­гу, по­зво­ляя пре­об­ра­зо­вать пря­мо­ли­ней­ное дви­же­ние в вра­ща­тель­ное.

На вы­ше­на­зван­ной ани­ма­ции пред­став­ле­на па­ро­вая ма­ши­на шот­ланд­ца Джейм­са Уат­та. Она со­дер­жит мно­го­чис­лен­ные улуч­ше­ния по от­но­ше­нию к пред­ше­ст­вую­щим ма­ши­нам (Со­мер­сет, Пa­пин, Са­ве­ри, Нью­ко­мен). Он изобрёл в 1782 г., принцип машины с двойным действием (эффектом), в которой подвижный клапан распределяет давление таким образом, чтобы поршнем можно было управлять в прямом и в обратом направлении.

Цен­тро­беж­ный ре­гу­ля­тор яв­ля­ет­ся ещё од­ним изо­бре­те­ни­ем, раз­ра­бо­тан­ным Джейм­сом Уаттом (1788 г). Он де­ла­ет воз­мож­ным под­дер­жи­вать прак­ти­че­ски не­из­мен­ную ско­рость, не­смот­ря на из­ме­не­ние дав­ле­ния.

Нажать и переместить курсор для того, чтобы увеличить или уменьшить температуру.

Цели обучения

• По­ни­мать прин­цип ра­бо­ты па­ро­вой ма­ши­ны.
• Моделировать преобразование тепловой энергии (теплоты) в механическую энергию (работу).
• Уметь оп­ре­де­лять функ­цию ка­ж­дой час­ти ма­ши­ны Уат­та.
• За­тро­нуть по­след­ст­вия дан­но­го изо­бре­те­ния на его вре­мя: Про­мыш­лен­ная ре­во­лю­ция.

eduMedia пред­ла­га­ет пе­да­го­ги­че­ские раз­ра­бот­ки в об­лас­ти ма­те­ма­ти­ки и в тех­но­ло­гии по ра­бо­те па­ро­во­за. Дан­ный до­ку­мент дос­ту­пен для ска­чи­ва­ния здесь.

Узнать подробнее

Ог­ром­ная мощ­ность ма­шин Джейм­са Уат­та де­ла­ет воз­мож­ным рас­про­стра­не­ние глав­ных…

Паровой двигатель

Появление паровых двигателей дало человечеству новые возможности и ознаменовало переход к настоящей Промышленной Революции, дав новые возможности по добыче полезных ископаемых, перемещению на большие расстояния, осуществлению иной тяжёлой работы. Так что же собой представляют паровые машины?

Небольшой спойлер от автора: дальше последует некоторый результат моих исследований этой темы. Суждения в тексте ниже могут быть где-то верны, где-то ошибочны, а где-то недостаточно подробны. В любом случае, надеюсь, что будет интересно!

История паровых машин

До появления паровых машин в качестве тягового усилия использовались животные, сила ветра и воды (разнообразные водяные колёса, крылья мельниц).

Железный век породил потребность в выплавке металла из железной руды, где для выплавки одной тонны железа использовалось до 70 древесины, что со временем привело к истощению лесов в Европе и поискам нового вида топлива.

Где-то читал, что известный тип немецких домов, так называемый «Фахверк» (Fachwerk) — «Ящичная работа», то есть дом, построенный из секций и представляющей собой типичный тип крестьянской архитектуры, как раз и появился из-за обострения проблемы с лесами, так как позволяет создать строение, с минимальным использованием древесины:

Особенно эта проблема обострилась в 16-18 веке, в связи с чем, в результате поисков нового топлива, благодаря предпринимателю Абрахаму Дарби, было начато использование каменноугольного кокса для целей металлургии, который, как утверждается, подсмотрел этот способ производства коксующегося угля у английских пивоваров.

В то же время, существование потребности в добыче каменного угля в шахтах, с попутной откачкой сопутствующей воды подтолкнуло к развитию машин, которые могли бы облегчить эту задачу.

Тем не менее, для успешного её решения требовалось ещё пройти большой путь и понять, как ведут себя водяные пары во время процессов нагревания и охлаждения, а также разобраться в роли атмосферного давления и вакуума, в процессе.

Большой вклад в исследование этой проблематики осуществил Дени Папен, который под руководством Гюйгенса провёл ряд опытов по исследованию поведения газов и водяного пара. Например, известен в истории его опыт, где он собрал цилиндр с поршнем, где под поршнем сжигался порох и расширяющиеся газы заставляли его двигаться вверх. Позже он попробовал поэкспериментировать и с испаряющейся водой, что привело к такому же результату.

При этом, во время экспериментов с паром при охлаждении цилиндра, пар конденсировался на стенках цилиндра, на поршень сверху давило атмосферное давление и поршень перемещался обратно вниз, совершая работу.

Его исследования легли в основу работ другого учёного, Томаса Севери, который в 1698 году получил патент на установку, которая использовала теплоту сгорания для откачки воды:

Картинка: «История энергетической техники» — Ерохин В.Г., Воронцова Л.А.

В машине Севери пар вырабатывался в котле и поступал через кран в камеру, где вытеснял воду в бак, после чего конденсировался за счёт того, что стенки камеры орошались водой из бака, куда вода была только что вытеснена.

После конденсации паров, в камере образовывался вакуум, куда под влиянием атмосферного давления с нижнего уровня всасывалась вода и процесс повторялся.

Продолжателем работ в этом направлении стал Томас Ньюкомен, который усовершенствовал машину Севери и в его случае вместо камеры уже использовался цилиндр с поршнем:

Картинка: «История энергетической техники» — Ерохин В.Г., Воронцова Л.А.

Пар в цилиндр подавался из котла, который был расположен ниже. Расширяясь в цилиндре, он поднимал поршень вверх, что заставляло левую часть коромысла, находящегося наверху, опуститься вниз, при этом происходил выброс всосанной воды из шахты (ранее, на предыдущем этапе).

Когда поршень поднимался в верхнюю точку, автоматически происходил впрыск холодной воды, что приводило к конденсации пара и возникновению вакуума в цилиндре, благодаря чему, цилиндр начинал своё движение обратно вниз, при этом левая часть коромысла начинала подниматься вверх и в этой фазе происходил засос воды из шахты (этот момент в литературе не оговаривается, но здесь очевидно, что верхняя часть цилиндра, которая находится над поршнем — была связана с атмосферой, так как идёт оговорка о совместной работе вакуума внизу и атмосферного давления наверху поршня). Система работала полностью автоматически.

Дальнейшие разработки учёных ещё больше усовершенствовали паровую машину, и на этом поприще существенной вехой является паровая машина Ползунова:

Картинка: «История энергетической техники» — Ерохин В.Г., Воронцова Л.А.

Она является первой в мире паровой машиной, которая была двухцилиндровой, что позволяло ей работать без использования гидравлической энергии. Она всё ещё оставалась атмосферной, но и это уже был прорыв.

Ещё одной существенной вехой в построении паровых машин явилось усовершенствование Джеймсом Уаттом машины Ньюкомена, в ходе которого, он обнаружил, что есть потенциал для её улучшения, так как вода, находящаяся под поршнем, в момент образования там вакуума, -начинает испаряться, так как при понижении давления, вода может кипеть при более низких температурах, что уменьшает вакуум под поршнем, а это, в свою очередь, ухудшает и эффективность машины в целом.

Поэтому ему пришло в голову сделать отдельный конденсатор пара, за пределами цилиндра. Кроме того, он использовал деревянную рубашку вокруг рабочего цилиндра, чтобы тот оставался всегда горячим, а также придумал подавать пар и над поршнем, таким образом, заложив основы создания систем двойного действия:

Кроме того, Джеймсом Уаттом был применён центробежный регулятор, который представляет собой устройство, позволяющее регулировать подачу пара, в зависимости от нагрузки на двигатель:

Принцип действия его был следующим: больше нагрузка — скорость вращения меньше, грузики центробежного регулятора опускаются ниже, пара в цилиндр подаётся больше.

Соответственно, чем меньше нагрузка, тем выше скорость оборотов двигателя, тем выше поднимаются грузики центробежного регулятора и меньше подаётся пара в цилиндр.

Дальнейшие улучшения паровой машины были направлены в направлении использования пара высокого давления, что позволило ещё больше увеличить её эффективность.

По месту, куда выпускается пар, машины могут изготавливаться как с выпуском отработанного пара в атмосферу, так и с конденсацией пара в специальном кондесаторе, где давление поддерживается ниже атмосферного. Кроме того, отработанный пар может дополнительно совершать некую работу — подогревать что то и т.д.

По компоновке паровые машины могут быть однократного расширения, когда вся работа осуществляется в рамках одного цилиндра или многократного расширения, когда расширение происходит последовательно в ряде цилиндров или же этот процесс может осуществляться параллельно в ряде цилиндров сразу.
Варианты компоновок машин многократного расширения показаны ниже:

Картинка: «Паровые двигатели» — В.К.Богомазов и др.

А ниже вы можете посмотреть ряд реально существовавших паровых машин (кликабельно):

Эта же картинка в большом разрешении есть по ссылке.

Картинка: «Паровые двигатели» — В.К.Богомазов и др.

Кстати говоря, здесь следует отметить один любопытный момент, который частенько упоминается в литературе вскользь: когда говорят о паровых машинах, то говорят, что там есть «котёл», не вдаваясь особенно в то, что под котлом понимается не «кастрюля, под которой разведён огонь», а довольно сложное устройство, как вы можете видеть на видео ниже, где есть взорвавшийся паровоз.

Да, исторически котлы начинались как ёмкость, грубо говоря, кастрюля с огнём под ней. Однако, такой способ нагрева недостаточно эффективен, так как не позволяет обеспечить достаточно эффективный режим парообразования, из-за недостаточного теплообмена.

Поэтому, со временем появились котлы с жаровыми трубами, представляющими собой довольно крупные каналы внутри котла с водой, пронизывающие его и по ним проходили продукты сгорания.

С дальнейшим повышением эффективности — потребовалась ещё большая паропроизводительность, что привело к появлению котлов с дымогарными трубами, представляющими с собой большой массив относительно тонких труб, пронизывающих котёл с водой, по которым проходят продукты сгорания перед выбросом в атмосферу. Именно на их базе и были построены первые паровозы:

Требования к мощности паровых установок росли, что, соответственно, требовало и повышения их рабочего давления. Это привело к появлению так называемых водотрубных котлов, которые представляют собой уже массив бесшовных труб с водой, обогреваемых снаружи продуктами сгорания.

Так как в этом случае, образующееся давление оказывает воздействие на относительно малую площадь (ввиду малого сечения трубы), система может успешно сопротивляться более высоким давлениям (хотя, честно говоря, до ознакомления с этой темой, мне казалось, что паровые машины изначально будут построены, основываясь на этом принципе; но, всё оказалось совсем не так, что для меня было довольно странно узнать. ). Ниже вся эта история показана более наглядно, в виде графика (кликабельно):

Скажем, как-то раз, я проводил эксперименты с давлениями порядка 300 бар (воздух), и использовал для подачи этого давления трубку с внутренним сечением 0,1 мм. Я сейчас могу несколько соврать в цифрах, но тогда у меня получалось, что на стенки этой трубки давит давление вовсе не 300 бар, учитывая её площадь, а всего лишь что-то порядка от 1 до 3 кг (точную цифру уже не помню). Так что, площадь, на которую воздействует давление — это важно…

Ещё одним интересным моментом является то, что стараются применять перегретый пар (среднее значение 400-500 градусов Цельсия), так как он повышает эффективность действия паровой машины. Связано это с тем, что обычно, при поступлении пара в цилинр, он начинает сразу же в некоторой степени кондесироваться, чего можно избежать, если пар перегрет — так как при этом сначала расходуется теплота перегрева и лишь затем пар может начать конденсироваться.

Кроме того, применение такого пара уменьшает влажность пара в момент выпуска, в конце такта расширения.

Применение перегретого пара особенно важно в турбинных установках, так как иначе влажный пар приводит к быстрому износу лопаток турбин.

Многочисленные улучшения конструкции паровой машины и отработка её отдельных элементов, привели к возникновению стандартов построения и эксплуатации, что позволило существенно уменьшить количество несчастных случаев связанных с ней, а также стабильно строить эффективные машины.

Тем не менее, описанные выше паровые машины являются поршневыми, имеющими известные ограничения по скорости оборотов и мощности, так как полезную работу они совершают, преобразуя возвратно-поступательное движение во вращательное.

В дальнейшем инженерная мысль изобретателей вела поиски способов, как бы напрямую преобразовывать энергию нагретого пара во вращательное движение, что привело к появлению в последующем паровых турбин.

Однако нельзя сказать, что учёные не думали об этом ранее, например, одним из самых ранних прародителей турбин можно назвать попытку Герона Александрийского, в ходе которой он создал реактивный шар, из которого выходили две трубки, а сам он был наполнен водой. При нагреве, будучи подвешенным на двух упорах, из этих трубок начинал вырываться с силой пар, что заставляло вращаться сам шар в противоположном направлении:

Можно сказать, что шар Герона представляет собой первый прототип реактивной турбины.
Также, весьма давно, появились идеи активных турбин, которые предлагали пар направлять на неподвижные лопатки, ударяясь о которые он приобретает определённое направление движения, поступая в дальнейшем на вращающее колесо, также с лопатками. Тем не менее, на тот момент, отсутствовали как материалы, так и предпосылки для работ над подобного рода устройствами.

Поэтому, самые первые паровые турбины, как активного, так и реактивного принципа действия начали появляться только в конце XIX века, в результате чего сложилась конструкция многоступенчатой турбины, со ступенями скорости.

Эта концепция представляет собой следующую конструкцию: пар выходит из расширяющегося сопла, благодаря чему приобретает большую скорость, направляясь неподвижными лопатками на вращающее колесо, отрабатывает на лопатках вращающегося колеса, выходит из него, поступает на следующий неподвижный диск с лопатками, проходит сквозь него, поступает на следующее вращающееся колесо и т. д. Все колёса имеют одинаковый диаметр.

Ещё одним решением является создание многоступенчатых турбин, где происходит перепад давлений на нескольких рабочих колёсах, таким образом, получается многоступенчатая турбина со ступенями давления, которую ещё называют турбиной многократного расширения (диаметр колёс увеличивается):

Дальнейшее развитие турбин привело к созданию комбинированной системы, которая представляет собой сочетание активного и реактивного принципа: в области высокого давления используется активное колесо, а в области низкого давления — несколько реактивных ступеней. Подобная конструкция некоторым образом снижает экономичность турбины, однако сама турбина получается более компактной и недорогой. Подобный тип турбин получил наибольшее распространение.

Мощность паровых турбин находится в пределах 50.000 кВт, хотя в отдельных случаях она может достигать и 150.000 кВт.
Небольшие турбины показывают скорость вращения в 5.000-8.000 об/мин.
Средние по размеру турбины развивают от 3.000 до 6.000 об/мин.
В то время как для крупных турбин скорость вращения может лежать в пределах от 1500 до 1800 об/мин.

До появления паровых турбин строились поршневые паровые машины мощностью даже до 10.000 л.с., однако, с появлением турбин, практическое построение машин мощностью более 1.000 л.с. прекратилось, так как турбины при таких мощностях оказываются более выгодными.

Преимущества и недостатки паровых машин

▍ Плюсы

В качестве основного преимущества паровых двигателей называют их способность работать практически на любом типе сгораемого топлива — они могут работать как на дровах, так и на угле и даже на тепле ядерного распада.

Кроме того, они могут вполне успешно функционировать, используя возобновляемые источники энергии, например, солнце, ветер или гидроэнергию.

Также, система со сжатым паром не зависит от атмосферного давления, именно поэтому паровые машины могут хорошо работать даже на больших высотах от уровня моря, без снижения работоспособности. Примерно к этому же можно отнести и любопытный факт, который меня удивил в своё время: что, к примеру, летом или в жарких странах аэродромные службы планируют взлёты тяжёлых самолётов, особенно с турбореактивными двигателями, таким образом, чтобы время взлёта приходилось на ранние часы, когда воздух ещё прохладный и обладает большей плотностью, чем в дневные часы. Связано это с тем, что нагретый воздух более разряжен и двигатель может не выйти на нужную мощность, в пределах взлётной полосы, поэтому её длины может не хватить. Кроме влияния на мощность двигателя, разряжённый воздух создаёт меньшую подъёмную силу для крыла.

Этот момент с влиянием нагретого воздуха на двигатель наблюдается также и в обычных двигателях внутреннего сгорания. Например, когда двигатель долго стоял на солнце и погода жаркая — после этого завести его может быть довольно проблематично (приходилось сталкиваться неоднократно самому, лично).

В противовес этому всему, — огонь в топке паровой машины может гореть практически при любом атмосферном давлении, встречающемся на Земле, в естественных условиях.

Ещё одним интересным моментом является тот, что паровой двигатель намного легче по весу альтернативных вариантов в виде двигателей внутреннего сгорания или электрических, что даёт ему преимущества в ряде применений.

Несмотря на то, что, казалось бы, паровой двигатель является устаревшим видом привода, он широко используется на электростанциях. Например, по некоторым данным, порядка 86% электрической энергии генерируемой в мире, производится именно с применением паровых турбин.

Но, одним из самых существенных преимуществ парового двигателя перед двигателем внутреннего сгорания является его способность сохранять максимальный крутящий момент во всём диапазоне скоростей, практически с нуля, что абсолютно недоступно ДВС.

В литературе этот момент отдельно не оговаривается, однако, по моему мнению, связано это со следующим: так как рабочее давление не образуется в рабочем цилиндре и подаётся в цилиндр уже в «готовом виде», то, соответственно, цилиндр может осуществлять свою работу сразу, двигаясь даже с самой минимальной скоростью (при необходимости). Кстати говоря, скорость движения цилиндра зависит только от того, на сколько открыт подающий клапан — открыли его побольше и цилиндр стал двигаться быстрее.

В противовес паровому, двигатель внутреннего сгорания для своей устойчивой работы требует наличия определённой минимальной скорости оборотов, начиная с которой, он может как обеспечивать возобновляемый цикл сгорания, так и дать возможность отбора мощности для некоего полезного применения (грубо говоря, нельзя заставить ДВС тянуть с максимальной мощностью на практически нулевых оборотах, — он просто заглохнет).

То есть, паровому двигателю не нужно поддерживать некую минимальную скорость оборотов, для обеспечения своей работоспособности, он может работать на полную мощность даже с нулевых оборотов.

Поэтому благодаря тому, что у паровых двигателей имеется возможность подачи высокого крутящего момента на любых скоростях, — паровому двигателю не нужна коробка переключения передач и крутящий момент передаётся напрямую на колёса (или для осуществления иной полезной работы).

Это даёт возможность механизму, оборудованному паровой машиной, показывать такие впечатляющие примеры применения, как например, взбираться на крутые горки, практически на нулевой скорости:

Или тянуть на медленной скорости огромный плуг:

Ещё одним любопытным моментом является то, что из вышеизложенной информации у читателя могло сложиться впечатление, что огонь под паровозным котлом спокойно горит, а дым от огня спокойно выходит через выпускную трубу.
Но, как вы могли видеть в двух видео выше, на самом деле, дым через трубу выходит резкими толчками, с характерным звуком «чух-чух» :-). Каким образом так получается, и что это такое?

А дело здесь вот в чём: на паровозах используется так называемая дымовытяжная установка, которая представляет собой конус, расположенный прямо под дымовой трубой:

После каждого рабочего такта, отработанный пар, всё ещё обладающий достаточной энергией, выбрасывается через этот конус в дымовую трубу, создавая в ней разрежение и, соответственно, искусственно усиливая тягу. Так как дымовая труба соединена с топкой, — возникшее разряжение высасывает дымовые продукты сгорания из топки и усиливает горение. Особенно эффектен этот процесс ночью:

Когда паровоз работает в режиме набора скорости, можно обратить внимание, что дым из дымовой трубы имеет характерный белёсый оттенок, так как он смешан с паром.

В свою очередь, когда паровоз уже набрал скорость, то машинист отключает подачу пара в цилиндр и паровая машина работает на холостом ходу, не затрачивая пар. Поэтому можно видеть, что дым становится характерно чёрным, так как практически не содержит пара!

▍ Минусы

Несмотря на свои очевидные плюсы, у парового двигателя много и минусов, одним из самых явность является загрязнение окружающей среды, так как для нагрева воды используется сгораемое топливо.

Несмотря на долгий процесс усовершенствования системы, паровая машина так и не смогла похвастаться низким расходом топлива. Благодаря этому, паровой двигатель является одним из самых затратных в плане топлива.

Низкий КПД паровых машин, не превышающий 10%, и послужил для них приговором, из-за чего они и уступили пальму первенства двигателям внутреннего сгорания, которые стали применяться в подавляющем большинстве видов человеческой деятельности, требующих привода.

Наличие в составе паровых машин котлов и иных контуров, заполненных паром высокого давления, создаёт опасность обслуживающему персоналу и окружающим людям, что в прошлом неоднократно проявлялось в виде взрывов:

Несмотря на все усовершенствования, поршневой паровой машине так и не удалось избавиться от кривошипно-шатунного механизма, что ограничивало её применение. Впрочем, справедливости ради, эта проблема до конца не решена в данный момент и для ДВС, несмотря на то, что существует целый ряд успешно функционирующих линейных двигателей внутреннего сгорания, где поршень движется свободно (гуглить «free piston engine»), не привязанный ни к чему, широкого распространения подобные двигатели не получили. Хотя, периодически и возникают разнообразные стартапы, и даже именитые компании пробуют внедрять их в свои электромобили, как портативную электростанцию, для подзарядки аккумуляторов:

Показанный выше двигатель может быть выполнен как в виде сбалансированной версии, как выше, с двумя поршнями, так и несбалансированной, с использованием одного поршня.

Хотя, в настоящее время, по моему мнению, благодаря наличию отработанных схем подобных двигателей и электронных систем контроля за движением свободного поршня, их распространение ограничивается больше инертностью существующей инфраструктуры, «заточенной» на использование стандартных ДВС с кривошипно-шатунным механизмом и, кроме того, всё большим распространением электрического транспорта.

Подытоживая, можно сказать, что несмотря на ореол устаревшей технологии, паровые двигатели ещё рано списывать со счетов, так как они вполне успешно трудятся на ниве электрогенерации и не только, так как, скажем, до сих пор множество самодельщиков конструируют различные аппараты с паровым приводом. Мало того, высказываются на форумах идеи о потенциале увеличения экономичности паровых технологий, с помощью применения инжекторного впрыска топлива (обеспечение импульсного подогрева, ровно столько, сколько нужно), контроля температуры воды и давления, что в наше время довольно легко осуществить с применением программно-аппаратных средств.

Список использованной литературы

1. В.К.Богомазов и др. – «Паровые двигатели»
2. Ерохин В.Г., Воронцова Л.А. – «История энергетической техники»
3. И.Н.Нигматулин – «Тепловые двигатели»
4. Н.В.Иноземцев – «Курс тепловых двигателей»

• паровой двигатель
• ruvds_статьи

• Блог компании RUVDS.com
• Научно-популярное
• Физика
• Химия