Как устроен паровой двигатель: Паровой двигатель, принцип работы |

Содержание

Принцип работы парового двигателя

Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного 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 преобразует энергию пара в механическую работу.

История изобретения паровых машин. Создание паровой машины
Понятие
Принцип действия
Коэффициент полезного действия
Преимущества
Недостатки
Применение
Типы двигателей
Как работает паровой двигатель
Как работает локомотив

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

ПаровозСтроение паровоза

Топка

Дверь Топки

Колосники / Колосниковая Решетка

Поддувало – место для поддува воздуха

Уголь

Вода

Жаровые трубы

Регулятор

Коллектор для другого парового оборудования (т. е. свисток, перерывы, воздуходувка и т. д)

Паровой купол

Главная Паровая Труба

Выхлопная труба

Взрывная Труба

Цилиндр

Поршень

Задвижка

Дымоход

Шатун

Рукоятка

Ведущее колесо

Паропровод для тормозов поезда

Боковые резервуары для воды

Песочница, для тяги по мокрым рельсам

Дымосборник

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.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 9 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Как устроен паровой двигатель. Современный паровой двигатель

Зачастую при упоминании «паровых двигателей» на ум приходят паровозы или автомобили Стэнли Стимер, но применение этих механизмов не ограничивается перевозками. Паровые двигатели, которые впервые были созданы в примитивном виде около двух тысячелетий назад, за последние три столетия стали крупнейшими источниками электропитания, а сегодня паровые турбины производят около 80 процентов мировой электроэнергии. Чтобы глубже понять природу физических сил, на основе которых работает такой механизм, мы рекомендуем вам сделать свой собственный паровой двигатель из обычных материалов, воспользовавшись одним из предложенных здесь способов! Для начала переходите к Шагу 1.

Шаги

Паровой двигатель из жестяной банки (для детей)

Отрежьте нижнюю часть алюминиевой банки на расстояние 6,35 см.

При помощи ножниц по металлу ровно отрежьте нижнюю часть алюминиевой банки примерно на треть высоты.

Загните и прижмите ободок при помощи плоскогубцев.
Чтобы не было острых краев, загните ободок банки внутрь. Выполняя это действие, следите за тем, чтобы не пораниться.

Надавите на дно банки изнутри, чтобы сделать его плоским.
У большинства алюминиевых банок из-под напитков основание будет круглым и выгнутым вовнутрь. Выровняйте дно, надавив на него пальцем или воспользовавшись небольшим стаканом с плоским дном.

Выполните два отверстия в противоположных сторонах банки, отступив 1,3 см от верха.

Для выполнения отверстий подойдет как бумажный дырокол, так и гвоздь с молотком. Вам потребуются отверстия диаметром чуть более трех миллиметров.

Разместите по центру банки маленькую греющую свечу.
Скомкайте фольгу и положите ее под низ и вокруг свечки, чтобы она не двигалась. Такие свечки обычно идут в специальных подставках, поэтому воск не должен плавиться и вытекать в алюминиевую банку.

Обмотайте центральную часть медной трубки длиной 15-20 см вокруг карандаша на 2 или 3 витка, чтобы получился змеевик.
Трубка диаметром 3 мм должна легко сгибаться вокруг карандаша. Вам потребуется достаточное количество изогнутой трубки, чтобы протянуть поперек банки через верх, плюс дополнительные прямые 5 см с каждой из сторон.

Проденьте концы трубок в отверстия в банке.
Центр змеевика должен расположиться над фитилем свечи. Желательно, чтобы прямые участки трубки с обеих сторон банки были одинаковой длины.

Согните концы труб при помощи плоскогубцев, чтобы получился прямой угол.
Согните прямые участки трубки таким образом, чтобы с разных сторон банки они смотрели в противоположные направления. Затем снова
согните их, чтобы они опустились ниже основания банки. Когда все будет готово, должно получиться следующее: змеевидная часть трубки находится по центру банки над свечкой и переходит в два наклонных, смотрящих в противоположные стороны «сопла» с двух сторон банки.

Опустите банку в миску с водой, при этом концы трубки должны погрузиться.
Ваша «лодка» должна надежно держаться на поверхности. Если концы трубки недостаточно погружены в воду, попытайтесь немного утяжелить банку, но ни в коем случае не утопите ее.

Заполните трубку водой.
Самым простым способом будет опустить один конец в воду и потянуть с другого конца как через соломинку. Также можно пальцем перекрыть один выход из трубки, а второй подставить под струю воды из-под крана.

Зажгите свечу.
Через время вода в трубке нагреется и закипит. По мере превращения в пар она будет выходить через «сопла», в результате чего вся банка начнет вращаться в миске.

Паровой двигатель из банки из-под краски (для взрослых)

Прорежьте прямоугольное отверстие возле основания четырехлитровой банки из-под краски.
Сделайте горизонтальное прямоугольное отверстие размером 15 x 5 см сбоку банки возле основания.
- Необходимо убедиться, что в этой банке (и в еще одной используемой) была только латексная краска, а также тщательно вымыть ее мыльной водой перед использованием.
Отрежьте полоску металлической сетки 12 x 24 см.
По длине с каждого края отогните по 6 см под углом 90 o . У вас получиться квадратная «платформа» 12 x 12 см с двумя «ножками» по 6 см. Установите ее в банку «ножками» вниз, выровняв ее по краям прорезанного отверстия.
Сделайте полукруг из отверстий по периметру крышки.
Впоследствии вы будете сжигать в банке уголь, чтобы обеспечить паровой двигатель теплом. При нехватке кислорода уголь будет плохо гореть. Чтобы в банке была необходимая вентиляция, просверлите или пробейте в крышке несколько отверстий, которые образуют полукруг вдоль краев.
- В идеале диаметр вентиляционных отверстий должен быть около 1 см.
Сделайте змеевик из медной трубки.
Возьмите около 6 м трубки из мягкой меди диаметром 6 мм и отмерьте с одного конца 30 см. Начиная с этой точки, выполните пять витков диаметром 12 см. Оставшуюся длину трубы согните в 15 витков диаметром по 8 см. У вас должно остаться около 20 см.
Пропустите оба конца змеевика в вентиляционные отверстия в крышке.
Согните оба конца змеевика таким образом, чтобы они были направлены вверх и пропустите оба через одно из отверстий в крышке. Если длины трубы не хватает, то потребуется немного разогнуть один из витков.
Поместите змеевик и древесный уголь в банку.
Поместите змеевик на сетчатую платформу. Заполните пространство вокруг и внутри змеевика древесным углем. Плотно закройте крышку.
Просверлите отверстия под трубку в банке меньшего размера.
По центру крышки литровой банки просверлите отверстие диаметром 1 см. Сбоку банки просверлите два отверстия диаметром 1 см – одно возле основания банки, а второе над ним возле крышки.
Вставьте закупоренную пластмассовую трубку в боковые отверстия меньшей банки.
При помощи концов медной трубки проделайте отверстия в центре двух пробок. В одну пробку вставьте жесткую пластмассовую трубку длиной 25 см, а в другую пробку – такую же трубку длиной 10 см. Они должны плотно сидеть в пробках и немного выглядывать наружу. Вставьте пробку с более длинной трубкой в нижнее отверстие меньшей банки, а пробку с более короткой трубкой в верхнее отверстие. Закрепите трубки в каждой пробке при помощи хомутов.
Соедините трубку большей банки с трубкой меньшей банки.
Разместите меньшую банку над большей, при этом трубка с пробкой должна быть направлена в противоположную сторону от вентиляционных отверстий большей банки. При помощи металлической ленты закрепите трубку из нижней пробки с трубкой, выходящей из нижней части медного змеевика. Затем аналогичным образом закрепите трубку из верхней пробки с трубкой, выходящей из верхней части змеевика.
Вставьте медную трубку в соединительную коробку.
При помощи молотка и отвертки удалите центральную часть круглой металлической электрораспределительной коробки. Зафиксируйте хомут под электрический кабель стопорным кольцом. Вставьте 15 см медной трубки диаметром 1,3 см в хомут кабеля, чтобы трубка выходила на несколько сантиметров ниже отверстия в коробке. Затупите края этого конца вовнутрь при помощи молотка. Вставьте этот конец трубки в отверстие в крышке меньшей банки.
Вставьте шпажку в дюбель.
Возьмите обычную деревянную шпажку для барбекю и вставьте ее в один конец полого деревянного дюбеля длиной 1,5 см и диаметром 0,95 см. Вставьте дюбель со шпажкой в медную трубку внутри металлической соединительной коробки таким образом, чтобы шпажка была направлена вверх.
- Во время работы нашего двигателя шпажка и дюбель будут действовать как «поршень». Чтобы движения поршня было лучше видно, можно прикрепить к нему небольшой бумажный «флажок».
Подготовьте двигатель к работе.
Снимите соединительную коробку с меньшей верхней банки и заполните верхнюю банку водой, позволяя ей выливаться в медный змеевик, пока банка не будет заполнена водой на 2/3. Проверьте отсутствие утечек во всех местах соединений. Плотно закрепите крышки банок, застучав их молотком. Снова установите соединительную коробку на место над меньшей верхней банкой.
Запускайте двигатель!
Скомкайте куски газеты и положите их в пространство под сеткой в нижней части двигателя. Когда древесный уголь разгорится, дайте ему прогореть около 20-30 минут. По мере нагревания воды в змеевике в верхней банке начнет накапливаться пар. Когда пар достигнет достаточного давления, он вытолкнет дюбель и шпажку наверх. После сброса давления поршень опустится вниз под действием силы тяжести. При необходимости, срежьте часть шпажки, чтобы снизить вес поршня – чем он легче, тем чаще будет «всплывать». Постарайтесь сделать шпажку такого веса, чтобы поршень «ходил» в постоянном темпе.
- Можно ускорить процесс горения, усилив приток воздуха в вентиляционные отверстия феном.
Соблюдайте безопасность.
Полагаем, само собой разумеется, что при работе и обращении с самодельным паровым двигателем необходимо соблюдать осторожность. Никогда не запускайте его в помещении. Никогда не запускайте его возле таких воспламеняющихся материалов, как сухие листья или нависающие ветви деревьев. Используйте двигатель только на прочной негорючей поверхности вроде бетона. Если вы работаете с детьми или подростками, то они не должны оставаться без присмотра. Детям и подросткам запрещается подходить к двигателю, когда в нем горит древесный уголь. Если вам не известна температура двигателя, то считайте, что он настолько горячий, что к нему нельзя прикасаться.
- Удостоверьтесь, что пар может выходить из верхнего «котла». Если по какой-либо причине поршень застрянет, то внутри меньшей банки может накопиться давление. При самом худшем раскладе банка может взорваться, что очень
  опасно.

Поместите паровой двигатель в пластмассовую лодку, опустив оба конца в воду, чтобы получилась паровая игрушка. Можно вырезать лодку простой формы из пластиковой бутылки из-под газировки или отбеливателя, чтобы ваша игрушка получилась более «экологичной».

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.

Процесс изобретения парового двигателя, как это часто бывает в технике, растянулся чуть ли не на столетие, поэтому выбор даты для этого события достаточно условен. Впрочем, никем не отрицается, что прорыв, приведший к технологической революции, был осуществлен шотландцем Джеймсом Уаттом.

Над использованием пара в качестве рабочего тела люди задумывались еще в глубокой древности. Однако лишь на рубеже XVII–XVIII вв. удалось найти способ производить полезную работу с помощью пара. Одна из первых попыток поставить пар на службу человеку была предпринята в Англии в 1698 г.: машина изобретателя Сэйвери предназначалась для осушения шахт и перекачивания воды. Правда, изобретение Сэйвери еще не было двигателем в полном смысле этого слова, поскольку, кроме нескольких клапанов, открывавшихся и закрывавшихся вручную, в нем не имелось подвижных частей. Машина Сэйвери работала следующим образом: сначала герметичный резервуар наполнялся паром, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, отчего пар конденсировался, и в резервуаре создавался частичный вакуум. После этого вода – например, со дна шахты – засасывалась в резервуар через заборную трубу и после впуска очередной порции пара выбрасывалась наружу.

Первая паровая машина с поршнем была построена французом Дени Папеном в 1698 г. Вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем, и образовавшийся пар толкал поршень вверх. Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень опускался вниз под действием атмосферного давления. Посредством системы блоков паровая машина Папена могла приводить в действие различные механизмы, например насосы.

Более совершенную машину в 1712 г. построил английский кузнец Томас Ньюкомен. Как и в машине Папена, поршень перемещался в вертикальном цилиндре. Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. При впрыскивании в цилиндр холодной воды пар конденсировался, в цилиндре образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом, двигавшимся наподобие качелей, поднимал вверх шток насоса. Когда поршень находился в нижней точке своего хода, в цилиндр снова поступал пар, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса или на коромысле, поршень поднимался в исходное положение. После этого цикл повторялся.

Машина Ньюкомена широко использовалась в Европе более 50 лет. В 1740‑х годах машина с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняла работу, которую бригада из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, выполняла за неделю. И все‑таки ее КПД был чрезвычайно низок.

Наиболее ярко промышленная революция проявилась в Англии, прежде всего в текстильной промышленности. Несоответствие предложения тканей и стремительно возрастающего спроса привлекло лучшие конструкторские умы к разработке прядильных и ткацких машин. В историю английской техники навсегда вошли имена Картрайта, Кея, Кромптона, Харгривса. Но созданные ими прядильные и ткацкие станки нуждались в качественно новом, универсальном двигателе, который бы непрерывно и равномерно (именно этого не могло обеспечить водяное колесо) приводил станки в однонаправленное вращательное движение. Вот здесь‑то во всем своем блеске предстал талант знаменитого инженера, «волшебника из Гринока» Джеймса Уатта.

Уатт родился в шотландском городке Гринок в семье кораблестроителя. Работая учеником в мастерских в Глазго, за первые два года Джеймс приобрел квалификацию гравировщика, мастера по изготовлению математических, геодезических, оптических приборов, различных навигационных инструментов. По совету дяди‑профессора Джеймс поступил в местный университет на должность механика. Именно здесь Уатт начал работать над паровыми машинами.

Джеймс Уатт пытался усовершенствовать пароатмосферную машину Ньюкомена, которая, в общем‑то, годилась только для перекачивания воды. Ему было ясно, что основной недостаток машины Ньюкомена состоял в попеременном нагревании и охлаждении цилиндра. В 1765 г. Уатт пришел к мысли, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если до конденсации отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. Кроме того, Уатт сделал еще несколько усовершенствований, окончательно превративших паро‑атмосферную машину в паровую. Например, он изобрел шарнирный механизм – «параллелограмм Уатта» (называется так потому, что часть звеньев – рычагов, входящих в его состав, образует параллелограмм), который преобразовывал возвратно‑поступательное движение поршня во вращательное движение главного вала. Теперь ткацкие станки могли работать непрерывно.

В 1776 г. машина Уатта прошла испытания. Ее КПД оказался вдвое больше, чем у машины Ньюкомена. В 1782 г. Уатт создал первую универсальную паровую машину двойного действия. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Поэтому поршень совершал и рабочий, и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах. Поскольку в паровой машине двойного действия шток поршня совершал тянущее и толкающее действие, прежнюю приводную систему из цепей и коромысла, которая реагировала только на тягу, пришлось переделать. Уатт разработал систему связанных тяг и применил планетарный механизм для преобразования возвратно‑поступательного движения штока поршня во вращательное движение, использовал тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара. Запатентованная Уаттом «ротативная паровая машина» сначала широко применялась на прядильных и ткацких фабриках, а позже и на других промышленных предприятиях. Двигатель Уатта годился для любой машины, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самодвижущихся механизмов.

Паровая машина Уатта поистине стала изобретением века, положившим начало промышленной революции. Но изобретатель на этом не ограничился. Соседи не раз с удивлением наблюдали за тем, как Уатт гоняет по лугу лошадей, тянущих специально подобранные тяжести. Так появилась единица мощности – лошадиная сила, получившая впоследствии всеобщее признание.

К сожалению, финансовые трудности вынудили Уатта уже в зрелом возрасте проводить геодезические изыскания, работать на строительстве каналов, сооружать порты и пристани, пойти, наконец, на экономически кабальный союз с предпринимателем Джоном Ребеком, потерпевшим вскоре полный финансовый крах.

Понятие

История изобретения

История изобретения паровых машин связана со знаниями древнегреческой цивилизации. Долгое время трудами этой эпохи никто не пользовался. В XVI веке была предпринята попытка создать паровую турбину. Работал над этим в Египте турецкий физик и инженер Такиюддин аш-Шами.

Интерес к этой проблеме вновь появился в XVII веке. В 1629 году Джованни Бранка предложил свой вариант паровой турбины. Однако изобретения теряли большое количество энергии. Дальнейшие разработки требовали соответствующих экономических условий, которые появятся позднее.

Первым, кто изобрел паровую машину, считается Дени Папен. Изобретение представляло собой цилиндр с поршнем, поднимающимся за счет пара и опускающимся в результате его сгущения. Такой же принцип работы имели устройства Сэвери и Ньюкомена (1705). Оборудование применяли для выкачивания воды из выработок при добыче полезных ископаемых.

Окончательно усовершенствовать устройство удалось Уатту в 1769 году.

Изобретения Дени Папена

Дени Папен был по образованию медиком. Родившись во Франции, в 1675 году он переехал в Англию. Он известен многими своими изобретениями. Одним из них является скороварка, которую называли «Папенов котел».

Ему удалось выявить зависимость между двумя явлениями, а именно температурой кипения жидкости (воды) и появляющимся давлением. Благодаря этому он создал герметичный котел, внутри которого давление было повышено, из-за чего вода закипала позже обычного и повышалась температура обработки помещенных в него продуктов. Таким образом увеличивалась скорость приготовления пищи.

В 1674 году медик-изобретатель создал пороховой двигатель. Его работа заключалась в том, что при возгорании пороха в цилиндре перемещался поршень. В цилиндре образовывался слабый вакуум, и атмосферное давление возвращало поршень на место. Образующиеся при этом газообразные элементы выходили через клапан, а оставшиеся охлаждались.

К 1698 году Папену удалось создать по такому же принципу агрегат, работающий не на порохе, а на воде. Таким образом, первая паровая машина была создана. Несмотря на существенный прогресс, к которому могла привести идея, существенной выгоды она своему изобретателю не принесла. Связано это было с тем, что ранее другой механик, Сейвери, уже запатентовал паровой насос, а другого применения для подобных агрегатов к этому времени еще не придумали.

Дени Папен умер в Лондоне в 1714. Несмотря на то, что первая паровая машина была изобретена им, он покинул этот мир в нужде и одиночестве.

Изобретения Томаса Ньюкомена

Более удачливым в плане дивидендов оказался англичанин Ньюкомен. Когда Папен создал свою машину, Томасу было 35 лет. Он внимательно изучил работы Сэйвери и Папена и смог понять недостатки обеих конструкций. Из них он взял все лучшие идеи.

Уже к 1712 году в сотрудничестве с мастером по стеклам и водопроводам Джоном Калли он создал свою первую модель. Так продолжилась история изобретения паровых машин.

Кратко можно пояснить созданную модель так:

Конструкция совмещала в себе вертикальный цилиндр и поршень, как у Папена.
Создание пара происходило в отдельном котле, который работал по принципу машины Сэйвери.
Герметичность в паровом цилиндре достигалась за счет кожи, которой был обтянут поршень.

Агрегат Ньюкомена подымал воду из копей с помощью воздействия атмосферного давления. Машина отличалась солидными размерами и требовала для работы большого количества угля. Несмотря на эти недостатки, модель Ньюкомена использовали в шахтах полвека. Она даже позволила вновь открыть шахты, которые были заброшены из-за подтопления грунтовыми водами.

В 1722 году детище Ньюкомена доказало свою эффективность, откачав воду из корабля в Кронштадте всего за две недели. Система с ветряной мельницей смогла бы сделать это за год.

Из-за того, что машина была создана на основе ранних вариантов, английский механик не смог получить на нее патент. Конструкторы пытались применить изобретение для движения транспортного средства, но неудачно. На этом история изобретения паровых машин не прекратилась.

Изобретение Уатта

Первым изобрел оборудование компактных размеров, но достаточно мощное, Джеймс Уатт. Паровая машина была первой в своем роде. Механик из университета Глазго в 1763 году принялся чинить паровой агрегат Ньюкомена. В результате ремонта он понял, как сократить расход топлива. Для этого необходимо было держать цилиндр в постоянно нагретом состоянии. Однако паровая машина Уатта не могла быть готова, пока не решилась проблема конденсации пара.

Решение пришло, когда механик проходил мимо прачечных и заметил, что клубы пара выходят из-под крышек котлов. Он понял, что пар — это газ, и ему нужно перемещаться в цилиндре с пониженным давлением.

Добившись герметичности внутри парового цилиндра с помощью пеньковой веревки, пропитанной маслом, Уатт смог отказаться от атмосферного давления. Это стало большим шагом вперед.

В 1769 году механик получил патент, в котором прописывалось, что температура двигателя в паровой машине будет всегда равна температуре пара. Однако дела незадачливого изобретателя шли не так хорошо, как ожидалось. Он был вынужден заложить патент за долги.

В 1772 году он знакомится с Мэтью Болтоном, который был богатым промышленником. Тот выкупил и вернул Уатту его патенты. Изобретатель вернулся к работе, поддерживаемый Болтоном. В 1773 году паровая машина Уатта прошла испытание и показала, что потребляет угля значительно меньше своих аналогов. Через год в Англии начался выпуск его машин.

В 1781 году изобретателю удалось запатентовать свое следующее творение — паровую машину для приведения в движение промышленных станков. Спустя время все эти технологии позволят двигать при помощи пара поезда и пароходы. Это полностью перевернет жизнь человека.

Одним из людей, изменивших жизнь многих, стал Джеймс Уатт, паровая машина которого ускорила технический прогресс.

Изобретение Ползунова

Проект первой паровой машины, которая могла приводить в действие разнообразные рабочие механизмы, был создан в 1763 году. Разработал его русский механик И.Ползунов, работавший на горнорудных заводах Алтая.

Начальник заводов был ознакомлен с проектом и получил добро на создание устройства из Петербурга. Паровая машина Ползунова была признана, и работа по ее созданию была возложена на автора проекта. Последний хотел сперва собрать модель в миниатюре, чтобы выявить и устранить возможные недочеты, которые не видны на бумаге. Однако ему приказали начать строительство большой мощной машины.

Ползунову предоставили помощников, из которых двое были склонны к механике, а двое должны были выполнять подсобные работы. На создание паровой машины ушел один год и девять месяцев. Когда паровая машина Ползунова была почти готова, он заболел чахоткой. Умер создатель за несколько дней до проведения первых испытаний.

Все действия в машине проходили автоматически, она могла работать беспрерывно. Это было доказано в 1766 году, когда ученики Ползунова провели последние испытания. Спустя месяц оборудование было сдано в эксплуатацию.

Машина не просто окупила затраченные средства, но и дала прибыль своим владельцам. К осени котел дал течь, и работы остановились. Агрегат можно было починить, но это не заинтересовало заводское начальство. Машина была заброшена, а спустя десятилетие разобрана по ненадобности.

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.

Коэффициент полезного действия

Преимущества

Недостатки

Применение

Кто изобрел паровую машину, уже известно. Осталось узнать, где их применяли. 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).

Транспорт с паровым двигателем:

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

Такова история изобретения паровых машин. Кратко можно рассмотреть удачный пример о гоночном автомобиле Серполле, созданном в 1902 году. На нем был установлен мировой рекорд по скорости, который составил 120 км в час на суше. Именно поэтому паровые авто были конкурентоспособными по отношению к электрическим и бензиновым аналогам.

Так, в США в 1900 году больше всего было выпущено паровых машин. Они встречались на дорогах до тридцатых годов ХХ века.

Стимпанк как веяние эпохи паровых машин

Говоря о паровых машинах, хочется упомянуть о популярном направлении — стимпанке. Термин состоит из двух английских слов — «пар» и «протест». Стимпанк — это вид научной фантастики, которая повествует о второй половине XIX века в викторианской Англии. Данный период в истории часто упоминается как Эпоха пара.

Все произведения имеют одну отличительную особенность — они повествуют о жизни второй половины XIX века, стиль повествования при этом напоминает роман Герберта Уэллса «Машина времени». В сюжетах описываются городские пейзажи, общественные строения, техника. Особое место уделяется дирижаблям, старинным машинам, причудливым изобретениям. Все металлические детали крепились при помощи клепок, поскольку сварку еще не применяли.

Термин «стимпанк» возник в 1987 году. Его популярность связана с появлением романа «Разностная машина». Написан он был в 1990 году Уильямом Гибсоном и Брюсом Стерлингом.

В начале XXI века в этом направлении было выпущено несколько известных кинофильмов:

«Машина времени»;
«Лига выдающихся джентльменов»;
«Ван Хельсинг».

К предтечам стимпанка можно отнести произведения Жюля Верна и Григория Адамова. Интерес к этому направлению время от времени проявляется во всех сферах жизни — от кинематографа до повседневной одежды.

Ровно 212 лет назад, 24 декабря 1801 года, в небольшом английском городе Камборне механик Ричард Тревитик продемонстрировал общественности первый автомобиль с паровым двигателем Dog Carts. Сегодня это событие можно было бы смело отнести в разряд хоть и примечательных, но несущественных, тем более что паровой двигатель был известен и ранее, и даже применялся на транспортных средствах (хотя назвать их автомобилями было бы очень большой натяжкой)… Но вот что интересно: именно сейчас технический прогресс породил ситуацию, поразительно напоминающую эпоху великой «битвы» пара и бензина в начале XIX века. Только бороться предстоит аккумуляторам, водороду и биотопливу. Хотите узнать, чем все закончится и кто победит? Не буду подсказывать. Намекну: технологии ни при чем…

1. Увлечение паровыми двигателями прошло, и наступило время двигателей внутреннего сгорания.
Для пользы дела повторю: в 1801 году по улицам Камборна покатился четырёхколёсный экипаж, способный с относительным комфортом и небыстро перевозить восемь пассажиров. Автомобиль приводился в движение одноцилиндровым паровым двигателем, а топливом служил уголь. Созданием паровых транспортных средств занялись с энтузиазмом, и уже в 20-х годах XIX века пассажирские паровые омнибусы перевозили пассажиров со скоростью до 30 км/час, а средний межремонтный пробег достиг 2,5–3 тыс. км.

Теперь сопоставим эти сведения с другими. В том же 1801 году француз Филипп Лебон получил патент на конструкцию поршневого двигателя внутреннего сгорания, работавшего на светильном газе. Случилось так, что через три года Лебон погиб, и развивать предложенные им технические решения пришлось другим. Лишь в 1860 году бельгийский инженер Жан Этьен Ленуар собрал газовый двигатель с зажиганием от электрической искры и довёл его конструкцию до степени пригодности к установке на транспортное средство.

Итак, автомобильные паровой двигатель и двигатель внутреннего сгорания – практически ровесники. КПД паровой машины той конструкции и в те годы составлял около 10%. КПД двигателя Ленуара был всего 4%. Только через 22 года, к 1882-му, Август Отто усовершенствовал его настолько, что КПД теперь уже бензинового двигателя достиг… аж 15%.

2. Паровая тяга — всего лишь краткий миг в истории прогресса.
Начавшись в 1801 году, история парового транспорта активно продолжалась без малого 159 лет. В 1960-м (!) в США всё ещё строились автобусы и грузовики с паровыми двигателями. Паровые машины за это время усовершенствовались весьма значительно. В 1900 году в США 50% парка автомобилей были «на пару». Уже в те годы возникла конкуренция между паровыми, бензиновыми и — внимание! — электрическими экипажами. После рыночного успеха «Модели-Т» Форда и, казалось бы, поражения парового двигателя новый всплеск популярности паровых авто пришёлся на 20-е годы прошлого столетия: стоимость топлива для них (мазут, керосин) была значительно ниже стоимости бензина.

Фирма Stanley производила до 1927-го примерно 1 тыс. паровых автомобилей в год. В Англии паровые грузовики успешно конкурировали с бензиновыми до 1933 года и проиграли лишь по причине введения властями налога на тяжёлый грузовой транспорт и снижения тарифов на импорт жидких нефтепродуктов из США.

3. Паровая машина неэффективна и неэкономична.
Да, когда-то это было именно так. «Классический» паровой двигатель, который выпускал отработанный пар в атмосферу, имеет КПД не более 8%. Однако паровой двигатель с конденсатором и профилированной проточной частью имеет КПД до 25–30%. Паровая турбина обеспечивает 30–42%. Парогазовые установки, где используются «в связке» газовые и паровые турбины, имеют КПД до 55–65%. Последнее обстоятельство подвигло инженеров компании BMW начать проработки вариантов использования этой схемы в автомобилях. К слову сказать, КПД современных бензиновых двигателей составляет 34%.

Стоимость изготовления парового двигателя во все времена была ниже стоимости карбюраторного и дизельного моторов той же мощности. Расход жидкого топлива в новых паровых двигателях, работающих в замкнутом цикле на перегретом (сухом) пару и оснащённых современными системами смазки, качественными подшипниками и электронными системами регулирования рабочего цикла, составляет всего 40% от прежнего.

4. Паровой двигатель медленно запускается.
И это было когда-то… Даже серийные автомобили фирмы Stanley «разводили пары» от 10 до 20 минут. Усовершенствование конструкции котла и внедрение каскадного режима нагрева позволило сократить время готовности до 40–60 секунд.

5. Паровой автомобиль слишком нетороплив.
Это не так. Рекорд скорости 1906 года — 205,44 км/час – принадлежит паровому автомобилю. В те годы автомобили на бензиновых моторах так быстро ездить не умели. В 1985-м на паровом автомобиле разъезжали со скоростью 234,33 км/час. А в 2009 году группа британских инженеров сконструировала паротурбинный «болид» с паровым приводом мощностью 360 л. с., который был способен перемещаться с рекордной средней скоростью в заезде – 241,7 км/час.

6. Паровой автомобиль дымит, он неэстетичен.
Рассматривая старинные рисунки, на которых изображены первые паровые экипажи, выбрасывающие из своих труб густые клубы дыма и огня (что, кстати, свидетельствует о несовершенстве топок первых «паровиков»), понимаешь, откуда взялась стойкая ассоциация паровой машины и копоти.

Что касается внешнего вида машин, дело тут, конечно, зависит от уровня дизайнера. Вряд ли кто-то скажет, что паровые автомобили Абнера Добля (США) некрасивы. Напротив, они элегантны даже по теперешним представлениям. И ездили к тому же бесшумно, плавно и быстро — до 130 км/час.

Интересно, что современные изыскания в области водородного топлива для автомобильных моторов породили ряд «боковых ответвлений»: водород в качестве топлива для классических поршневых паровых двигателей и в особенности для паротурбинных машин обеспечивает абсолютную экологичность. «Дым» от такого мотора представляет собой… водяной пар.

7. Паровой двигатель капризен.
Это неправда. Он конструктивно значительно проще двигателя внутреннего сгорания, что само по себе означает большую надёжность и неприхотливость. Ресурс паровых моторов составляет многие десятки тысяч часов непрерывной работы, что не свойственно другим типам двигателей. Однако этим дело не ограничивается. В силу принципов работы паровой двигатель не теряет эффективности при понижении атмосферного давления. Именно по этой причине транспортные средства на паровой тяге исключительно хорошо подходят для использования в высокогорье, на тяжёлых горных перевалах.

Интересно отметить и ещё одно полезное свойство парового двигателя, которым он, кстати, схож с электромотором постоянного тока. Снижение частоты вращения вала (например, при возрастании нагрузки) вызывает рост крутящего момента. В силу этого свойства автомобилям с паровыми моторами принципиально не нужны коробки передач — сами по себе весьма сложные и порой капризные механизмы.

Принцип действия парового двигателя | Хитрости Жизни

Содержание

Так сложилось, что даже люди с техническим образованием мало что знают об этом устройстве. Сегодня мы и восполним этот пробел, вспомним, как устроен паровой двигатель, его принцип действия. Его преимущества, недостатки и применении в современных условиях. И немного о истории изобретения.

Паровая машина кардинально изменила картину мира, произвела революцию в промышленности, на транспорте, дала импульс для новых открытий. Она служила универсальным двигателем на протяжении XIX века, и даже с появлением механизмов, требующих высоких скоростей, не канула в лету. Вместо тихоходной паровой машины ученые разработали быстроходную турбину с одним из самых высоких к.п.д.

История изобретения парового двигателя

Упоминание о первых паровых машинах датировано первым столетием нашей эры. Устройство, описано Героном Александрийским ‒ пар выходил из сопл, закреплённых на шаре, и приводил в движение двигатель.

Правда, настоящая паровая турбина появилась в Египте в 16 веке. Ее изобрел араб Таги-аль-Диноме.

Подобную машину построил 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка. То есть, как только в обществе наступило экономическое благополучие и возникла необходимость в данном механизме, его тот час же изобрели.

В конце 17 века были созданы ещё две модели: в Испании двигатель сконструировал Аянс де Бомонт, а в Англии Эдвард Сомерсет в 1663 году установил паровую установку для закачки воды в Большую башню замка Реглан. Но все проекты быстро сворачивались и забывались. Тогда, как впрочем, и сейчас все новое не воспринималось большинством, и деньги на разработку никто давать не решался.

Паровой котёл создал француз Дени Папен. Он же изобрёл и предохранительный клапан для стравливания избыточного давления. Дело в том, что высокое давление, создаваемое паром, приводило к частым взрывам.

Кстати, в то же время появилось и расхожее выражение: «выпустить пар», которое означало ‒ успокоить нервы, пошумев на окружающих, без сноса собственного котелка и без жертв среди мирного населения.

Но на этом история паровых двигателей не прервалась. Англичанин Томас Ньюкомен в 1712 году сделал шахтный насос для подачи воды на верх. Двигатель Ньюкомена стал пользоваться спросом, с его массового выпуска началась английская промышленная революция.

В России первую паровую машину в 1763 году спроектировал И.И.Ползунов. С ее помощью приводились в действие воздуходувные меха на заводах.

А француз Николас-Йозеф Куньо шесть лет спустя сконструировал первую паровую телегу. Она приводила в движение сельскохозяйственные механизмы.

А в 1788 году Джон Фитч построил пароход, который вмещал 30 человек, и шел со скоростью до 12 километров в час.

В 1804 году на металлургическом заводе в Южном Уэльсе был испытан первый железнодорожный паровой поезд, его построил Ричард Тревитик.

Как устроен паровой двигатель. Принцип действия

Для работы паровой машины потребуется паровой котёл. Поступающий из него пар, расширяется и воздействует на поршень или же на лопатки паротурбины, затем их движение передаётся на другие механические части устройства.

Как устроен паровой двигатель показано на иллюстрации

Движение поршня через шток, ползун, шатун и кривошип передаётся на главный вал, который несет маховик, необходимый для снижения неравномерности вращения.

Эксцентрик, находящийся на главном валу, через эксцентриковую тягу воздействует на золотник, который управляет впуском пара в цилиндре. Пар из цилиндра выбрасывается в атмосферу или направляется в конденсатор.

Чтобы поддерживать постоянное число оборотов вала, при изменении нагрузки, на паровых машинах устанавливают центробежный регулятор, он автоматически изменяет сечение прохода пара, направляемого в паровую машину (при дроссельном регулировании) или момент отсечки наполнения (при количественном регулировании).

Поршень создает в цилиндре парового двигателя одну (две) полости переменного объёма, в них и происходят процессы сжатия и расширения.

Преимущества и недостатки

Основное преимущество паровой машины, как двигателя внешнего сгорания, отделение котла от самой машины. Это дает возможность использовать что угодно в качестве топлива хоть хворост, хоть урановое топливо, что выгодно отличает ее от двигателя внутреннего сгорания ‒ там для каждого типа требуется определённый вид горючего.

Заметнее всего это преимущество в случае с ядерным реактором, который не может производить механическую энергию, а вырабатывает лишь тепло, которое используют для получения пара, вращающего паровые турбины.

В двигателях внешнего сгорания можно использовать и другие источники тепла, например, энергию солнца или энергию разности температур океана на разной глубине.

Интересный факт, паровой локомотив хорошо работает на больших высотах, при чем эффективность двигателя не падает, а, наоборот, растет благодаря низкому атмосферному давлению.

Паровозы и сегодня используют в горной местности Латинской Америки и Китая, при том, что в равнинных районах они давно заменены на более современные типы локомотивов.

Даже в Швейцарии и в Австрии в ходу усовершенствованные тепловозы, работающие на сухом паре. Их разработали на основе модели SLM производства 1930 года. В конструкцию внесли ряд изменений: использовали роликовые подшипники, современную теплоизоляцию, новые виды топлива, специальные паропроводы и ряд других новшеств.

Благодаря этому потребление топлива уменьшилось на 60 процентов, а вес стал ниже, чем у дизельных и электрических аналогов, что актуально для железных дорог, проходящих в горной местности.

Среди других положительных качеств парового двигателя:

высокая надёжность;
возможность эксплуатации при значительных колебаниях нагрузки;
допустимость продолжительных перегрузок;
долговечность;
низкие расходы на эксплуатацию;
простота в обслуживании.

К недостаткам можно отнести:

наличие кривошипно-шатунного механизма;
низкий КПД по сравнению с другими типами двигателей.

Применение в настоящее время

Сегодня паровые машины нашли широкое применение в виде паровых турбин, которые работают как приводы электрогенераторов.

Паровая турбина состоит из вращающихся дисков, которые закреплены на одной оси. Этот узел называется ротором. Также есть статор ‒ его неподвижные диски чередуются с дисками ротора. На дисках ротора размещены лопатки, при попадании на них пара, механизм приходит в движение.

Аналогичные лопатки, только расположенные под противоположным углом, есть и на дисках статора. Они служат для перенаправления струи пара на следующий диск ротора.

Турбина преобразует энергию пара во вращательное движение без каких-либо дополнительных механизмов. То есть преобразование возвратно-поступательного хода во вращательное движение делать не нужно.

Также у турбин меньшие размеры нежели у возвратно-поступательных машин, и они отличаются постоянным усилием на выходном валу. Ещё один плюс ‒ простая конструкция, а значит придётся меньше тратить средств на эксплуатацию.

Сфера использования паровых турбин ‒ производство электроэнергии. Более 85 процентов электрической энергии вырабатывают именно паровые турбины. Также их используют как судовые двигатели, в частности на подводных лодках и атомоходах.

Теперь вы знаете, как устроен паровой двигатель, что паровая машина, изобретённая ещё в первом столетии нашей эры, вовсе не анахронизм, а современное высокотехнологичное устройство, благодаря которому жизнь многих людей стала комфортнее.

Перспективы применения паровых машин на автомобилях имеют пока туманные очертания, но творческая мысль изобретателя не имеет границ и я с полной уверенностью могу предположить, что скоро появятся двигатели с элементами парового носителя

Подписывайтесь на наш блог, чтобы узнать много нового и интересного. Поделитесь этой информацией с друзьями в социальных сетях ‒ пусть они повысят свой технический уровень, ну и вам будет приятно иметь умных друзей.

Tuesday , Aug 06th

Last update 08:30:58 AM GMT

Паровой двигатель, принцип работы

На анимированной иллюстрации приведен принцип работы парового двигателя.

Первый такт

Выпуск

Второй такт

Выпуск

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

Цикл повторяется заново.

11 августа 1807 года принято считать днем рождения парового судна. В этот день произошло испытание парохода, построенного талантливым американским инженером Робертом Фултоном. Пароход «Клермонт» открыл регулярные рейсы по реке Гудзон между Нью-Йорком и Олбени. В 1838 году британский пароход «Great Eastern» пересек Атлантику, не поднимая парусов, хотя и имел парусное вооружение. Рост промышленности требовал корабли и суда, которые могли бы независимо от воли стихии совершать регулярные рейсы по Атлантическому и Тихому океанам. В XIX веке резко возросли размеры паровых судов, а вместе с ними и мощности паровых машин. К 90-м годам мощность их была доведена до 9000 лошадиных сил.

Постепенно паровые машины становились все более мощными и надежными. Первые судовые силовые установки состояли из поршневой паровой машины и больших маломощных котлов, отапливаемых углем.

Сто лет спустя коэффициент полезного действия (КПД) паровой силовой установки уже равнялся 30 процентам, и развивала мощность до 14720 кВт, а число обслуживающего персонала сократилось до 15 человек. Но малая производительность паровых котлов требовала увеличения их количества.

На грани двух веков паровыми машинами оборудовались в основном пассажирские суда и грузопассажирские корабли, чисто грузовыми судами были только парусники. Это объяснялось несовершенством и малой эффективностью паровой силовой установки того времени.

Применение появившихся в 80-х годах XIX века водотрубных котлов, которые сейчас работают на жидком топливе, улучшило эффективность паровых силовых установок. Но коэффициент полезного действия их достиг всего лишь 15 процентов, чем и объясняется прекращение постройки пароходов. Но в наше время еще можно встретить суда, приводимые в движение поршневыми паровыми машинами это речной пароход «American Queen».

Судовые поршневые паровые машины

поршневой паровой двигатель

В судовых силовых установках с паровыми машинами в качестве рабочего тела используется водяной пар. Поскольку пресную воду на судах можно перевозить только в ограниченном количестве, в данном случае применяют замкнутую систему циркуляции воды и пара. Разумеется, при работе силовой установки возникают определенные потери пара или воды, однако они незначительны и возмещаются водой из цистерны или испарителей.

Принцип действия поршневой паровой машины

Рабочий пар подается в паровой цилиндр через паровые поршни. Он расширяется, давит на поршень и заставляет его скользить вниз. Когда поршень достигает своей нижней точки, парораспределительный золотник изменяет свое положение. Свежий пар подается под поршень, в то время как пар, заполнявший прежде цилиндр, вытесняется.

Теперь поршень движется в противоположном направлении. Таким образом, поршень совершает во время работы движения вверх и вниз, которые с помощью кривошипно-шатунного механизма, состоящего из штока, ползуна и соединенного с коленчатым валом шатуна, преобразуются во вращательные движения коленчатого вала. Впуск и выпуск свежего и отработавшего пара регулируют клапаном. Клапан приводится в действие от коленчатого вала посредством двух эксцентриков, которые через штанги и шатун соединены с золотниковой штангой.

Перемещение шатуна с помощью переводного рычага вызывает изменение количества пара, заполнившего цилиндр за один подъем поршня, а следовательно, меняются мощность и частота вращения машины. Когда шатун находится в среднем положении, пар уже не входит в цилиндр, и паровая машина прекращает движение. При дальнейшем перемещении шатуна с помощью переводного рычага машина снова приводится в движение, на этот раз в противоположном направлении. Это обусловливает обратное движение судового движителя.

В первых судовых силовых установках применяли поршневые паровые машины, в которых расширение от входного до выходного давления и до давления в конденсаторе происходило в одном цилиндре. Принцип действия поршневой паровой машины показан на рисунке 2. Со временем стали применять машины многоступенчатого расширения. Принцип действия машины трехступенчатого расширения схематично показан на рисунке 3.

поршневая паровая машина

поршневая паровая машина трехкратного росширения

Устроен паровой двигатель. Паровой двигатель в авиации

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?

Предпосылки появления паровых двигателей

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.

История изобретения и совершенствования паровых двигателей

Создание парового двигателя — результат долгих размышлений, удач и крушений надежд множества учёных.

Начало пути

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.

Новый этап в разработке паровых двигателей

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.

Применение паровых машин на транспорте

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:

во Франции появляется автомобиль с паровым двигателем;
в США начинает курсировать пароход между городами Филадельфия и Берлингтон;
в Англии продемонстрирован железнодорожный локомотив на паровой тяге;
российский крестьянин из Саратовской губернии запатентовал построенный им гусеничный трактор мощностью 20 л. с.;
неоднократно предпринимались попытки построить самолёт с паровым двигателем, но, к сожалению, малая мощность этих агрегатов при большом весе самолёта делала эти попытки неудачными.

Уже к концу XIX столетия паровые двигатели, сыграв свою роль в техническом прогрессе общества, уступают место и электродвигателям.

Паровые устройства в XXI веке

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

Начал свою экспансию еще в начале 19-го века. И уже в то время строились не только большие агрегаты для промышленных целей, но также и декоративные. В большинстве своем их покупателями были богатые вельможи, которые хотели позабавить себя и своих детишек. После того как паровые агрегаты плотно вошли в жизнь социума, декоративные двигатели начали применяться в университетах и школах в качестве образовательных образцов.

Паровые двигатели современности

В начале 20-го века актуальность паровых машин начала падать. Одной из немногих компаний, которые продолжили выпуск декоративных мини-двигателей, стала британская фирма Mamod, которая позволяет приобрести образец подобной техники даже сегодня. Но стоимость таких паровых двигателей легко переваливает за две сотни фунтов стерлингов, что не так и мало для безделушки на пару вечеров. Тем более для тех, кто любит собирать всяческие механизмы самостоятельно, гораздо интереснее создать простой паровой двигатель своими руками.

Очень простое. Огонь нагревает котел с водой. Под действием температуры вода превращается в пар, который толкает поршень. Пока в емкости есть вода, соединенный с поршнем маховик будет вращаться. Это стандартная схема строения парового двигателя. Но можно собрать модель и совершенно другой комплектации.

Что же, перейдем от теоретической части к более увлекательным вещам. Если вам интересно делать что-то своими руками, и вас удивляют столь экзотичные машины, то эта статья именно для вас, в ней мы с радостью расскажем о различных способах того, как собрать двигатель своими руками паровой. При этом сам процесс создания механизма дарит радость не меньшую, чем его запуск.

Метод 1: мини-паровой двигатель своими руками

Итак, начнем. Соберем самый простой паровой двигатель своими руками. Чертежи, сложные инструменты и особые знания при этом не нужны.

Для начала берем из-под любого напитка. Отрезаем от нее нижнюю треть. Так как в результате получим острые края, то их необходимо загнуть внутрь плоскогубцами. Делаем это осторожно, чтобы не порезаться. Так как большинство алюминиевых банок имеют вогнутое дно, то необходимо его выровнять. Достаточно плотно прижать его пальцем к какой-нибудь твердой поверхности.

На расстоянии 1,5 см от верхнего края полученного «стакана» необходимо сделать два отверстия друг напротив друга. Желательно для этого использовать дырокол, так как необходимо, чтобы они получились в диаметре не менее 3 мм. На дно банки кладем декоративную свечку. Теперь берем обычную столовую фольгу, мнем ее, после чего оборачиваем со всех сторон нашу мини-горелку.

Мини-сопла

Далее нужно взять кусок медной трубки длиной 15-20 см. Важно, чтобы внутри она была полой, так как это будет наш главный механизм приведения конструкции в движение. Центральную часть трубки оборачивают вокруг карандаша 2 или 3 раза, так, чтобы получилась небольшая спираль.

Теперь необходимо разместить этот элемент так, чтобы изогнутое место размещалось непосредственно над фитилем свечки. Для этого придаем трубке формы буквы «М». При этом выводим участки, которые опускаются вниз, через проделанные отверстия в банке. Таким образом, медная трубка жестко фиксируется над фитилем, а ее края являются своеобразными соплами. Для того чтобы конструкция могла вращаться, необходимо отогнуть противоположные концы «М-элемента» на 90 градусов в разные стороны. Конструкция парового двигателя готова.

Запуск двигателя

Банку размещают в емкости с водой. При этом необходимо, чтобы края трубки находились под ее поверхностью. Если сопла недостаточно длинные, то можно добавить на дно банки небольшой грузик. Но будьте осторожны — не потопите весь двигатель.

Теперь необходимо заполнить трубку водой. Для этого можно опустить один край в воду, а вторым втягивать воздух как через трубочку. Опускаем банку на воду. Поджигаем фитиль свечки. Через некоторое время вода в спирали превратится в пар, который под давлением будет вылетать из противоположных концов сопел. Банка начнет вращаться в емкости достаточно быстро. Вот такой у нас получился двигатель своими руками паровой. Как видите, все просто.

Модель парового двигателя для взрослых

Теперь усложним задачу. Соберем более серьезный двигатель своими руками паровой. Для начала необходимо взять банку из-под краски. При этом следует убедиться, что она абсолютно чистая. На стенке на 2-3 см от дна вырезаем прямоугольник с размерами 15 х 5 см. Длинная сторона размещается параллельно дну банки. Из металлической сетки вырезаем кусок площадью 12 х 24 см. С обоих концов длинной стороны отмеряем 6 см. Отгибаем эти участки под углом 90 градусов. У нас получается маленький «столик-платформа» площадью 12 х 12 см с ногами по 6 см. Устанавливаем полученную конструкцию на дно банки.

По периметру крышки необходимо сделать несколько отверстий и разместить их в форме полукруга вдоль одной половины крышки. Желательно, чтобы отверстия имели диаметр около 1 см. Это необходимо для того, чтобы обеспечить надлежащую вентиляцию внутреннего пространства. Паровой двигатель не сможет хорошо работать, если к источнику огня не будет попадать достаточное количество воздуха.

Основной элемент

Из медной трубки делаем спираль. Необходимо взять около 6 метров мягкой медной трубки диаметром 1/4-дюйма (0,64 см). От одного конца отмеряем 30 см. Начиная с этой точки, необходимо сделать пять витков спирали диаметром 12 см каждая. Остальную часть трубы изгибают в 15 колец диаметром по 8 см. Таким образом, на другом конце должно остаться 20 см свободной трубки.

Оба вывода пропускают через вентиляционные отверстия в крышке банки. Если окажется, что длины прямого участка недостаточно для этого, то можно разогнуть один виток спирали. На установленную заранее платформу кладут уголь. При этом спираль должна размещаться как раз над этой площадкой. Уголь аккуратно раскладывают между ее витками. Теперь банку можно закрыть. В итоге мы получили топку, которая приведет в действие двигатель. Своими руками паровой двигатель почти сделан. Осталось немного.

Емкость для воды

Теперь необходимо взять еще одну банку из-под краски, но уже меньшего размера. В центре ее крышки сверлят отверстие диаметром в 1 см. Сбоку банки проделывают еще два отверстия — одно почти у дна, второе — выше, у самой крышки.

Берут два корка, в центре которых проделывают отверстие с диаметров медной трубки. В один корок вставляют 25 см пластиковой трубы, в другой — 10 см, так, чтобы их край едва выглядывал из пробок. В нижнее отверстие малой банки вставляют корок с длинной трубкой, в верхнее — более короткую трубку. Меньшую банку размещаем на большой банке краски так, чтобы отверстие на дне было на противоположной стороне от вентиляционных проходов большой банки.

Результат

В итоге должна получиться следующая конструкция. В малую банку заливается вода, которая через отверстие в дне вытекает в медную трубку. Под спиралью разжигается огонь, который нагревает медную емкость. Горячий пар поднимается по трубке вверх.

Для того чтобы механизм получился завершенным, необходимо присоединить к верхнему концу медной трубки поршень и маховик. В итоге тепловая энергия горения будет преобразовываться в механические силы вращения колеса. Существует огромное количество различных схем для создания такого двигателя внешнего сгорания, но во всех них всегда задействованы два элемента — огонь и вода.

Кроме такой конструкции, можно собрать паровой но это материал для совершенно отдельной статьи.

В представлении большинства людей века смартфонов автомобили на паровой тяге – это нечто архаическое, что вызывает улыбку. Паровые страницы истории автомобилестроения были очень яркими и без них трудно представить современный транспорт вообще. Как ни старались скептики от законотворчества, а также нефтяные лоббисты разных стран ограничить развитие автомобиля на пару, им это удавалось лишь на время. Ведь паровой автомобиль подобен Сфинксу. Идея автомобиля на пару (т. е. на двигателе наружного сгорания) актуальна и по сей день.

В представлении большинства людей века смартфонов автомобили на паровой тяге – это нечто архаическое, что вызывает улыбку.

Так в 1865 году в Англии ввели запрет на передвижение скоростных самоходных карет на паровом ходу. Им запрещалось передвигаться быстрее 3 км/ч по городу и не выпускать клубы пара, дабы не пугать лошадей, запряжённых в обычные экипажи. Самым серьёзным и ощутимым ударом по паровым грузовым автомобилям уже в 1933 году нанёс закон о налоге на тяжёлые транспортные средства. И только в 1934 году, когда были снижены пошлины на импорт нефтепродуктов, замаячила на горизонте победа бензиновых и дизельных двигателей над паровыми.

Так изысканно и хладнокровно издеваться над прогрессом могли себе позволить только в Англии. В США, Франции, Италии среда изобретателей-энтузиастов буквально бурлила идеями, а паровой автомобиль приобретал новые очертания и характеристики. Хотя английские изобретали внесли весомый вклад в развитие парового автотранспорта, законы и предубеждения властей не позволяли им полноценно участвовать в схватке с ДВС. Но давайте обо всём по порядку.

Доисторическая справка

История развития парового автомобиля неразрывно связана с историей возникновения и совершенствования паровой машины. Когда в I веке н. э. Герон из Александрии предложил свою идею заставить пар вращать металлический шар, к его идее отнеслись не более, чем к забаве. То ли другие идеи в большей степени волновали изобретателей, но первым, кто поставил паровой котёл на колёса был монах Фердинанд Вербст. В 1672 году. К его «игрушке» тоже отнеслись как к забаве. Но следующие сорок лет не прошли даром для истории парового двигателя.

Проект самодвижущегося экипажа Исаака Ньютона (1680), пожарный аппарат механика Томаса Севери (1698) и атмосферная установка Томаса Ньюкомена (1712) продемонстрировали огромный потенциал использования пара для совершения механической работы. Сначала паровые машины откачивали воду из шахт и поднимали грузы, но к середине 18 века на предприятиях Англии таких паровых установок уже было несколько сотен.

Что же собой представляет паровой двигатель? Как может пар двигать колёса? Принцип паровой машины прост. Вода нагревается в закрытом резервуаре до состояния пара. Пар отводится по трубкам в закрытый цилиндр и выдавливает поршень. Через промежуточный шатун это поступательное движение передаётся на вал маховика.

Эта принципиальная схема работы парового котла на практике имела существенные недостатки.

Первая порция пара клубами вырывалась наружу, а остывший поршень под собственным весом опускался вниз для следующего такта. Эта принципиальная схема работы парового котла на практике имела существенные недостатки. Отсутствие системы регулирования давлением пара нередко приводила к взрыву котла. Для доведения котла до рабочего состояния требовалось немало времени и топлива. Постоянная дозаправка и гигантские размеры паровой установки лишь увеличивали перечень её недостатков.

Новую машину в 1765 году предложил Джеймс Уатт. Он направил выдавливаемый поршнем пар в дополнительную камеру для конденсации и избавил от необходимости постоянно подливать воду в котёл. Наконец, в 1784 году он разрешил задачу, как перераспределить движение пара таким образом, чтобы он толкал поршень в обоих направлениях. Благодаря созданному им золотнику, паровая машина могла работать без перерывов между тактами. Этот принцип теплового двигателя двойного действия и лёг в основу большинства паровой техники.

Над созданием паровых машин трудились много умных людей. Ведь это простой и дешёвый способ получения энергии практически из ничего.

Небольшой экскурс в историю автомобилей на паровой тяге

Однако, как ни грандиозны были успехи англичан в области , первым, кто поставил паровую машина на колёса, был француз Николя Жозеф Кюньо.

Первый паровой автомобиль Кюньо

Его автомобиль появился на дорогах в 1765 году. Скорость передвижения коляски была рекордной — 9,5 км/ч. В нём изобретатель предусмотрел четыре места для пассажиров, которых можно было прокатить с ветерком на средней скорости 3,5 км/ч. Этого успеха изобретателю показалось недостаточно.

Необходимость остановки для заправки водой и разжигание нового костра через каждый километр пути не были существенным минусом, а лишь уровнем техники того времени.

Он решился на изобретение тягача для пушек. Так на свет появилась трёхколёсная повозка с массивным котлом впереди. Необходимость остановки для заправки водой и разжигание нового костра через каждый километр пути не были существенным минусом, а лишь уровнем техники того времени.

Следующая модель Кюньо образца 1770 года имела вес около полутора тонн. Новая телега могла транспортировать порядка двух тонн груза со скоростью 7 км/ч.

Маэстро Кюньо больше занимала идея создания парового двигателя высокого давления. Его даже не смущал тот факт, что котёл мог взорваться. Именно Кюньо придумал расположить топку под котлом и возить «костёр» с собой. Кроме того, его «телега» может по праву быть названа первым грузовиком. Отставка покровителя и череда революций не дали возможности мастеру развить модель до полноценной грузовой машины.

Самоучка Оливер Эванс и его амфибия

Идея создания паровых машин имела вселенские масштабы. В североамериканских штатах изобретатель Оливер Эванс создал около пятидесяти паровых установок на базе машины Уатта. Стараясь уменьшить габариты установки Джеймса Уатта, он конструировал паровые машины для мукомольных фабрик. Однако всемирную славу Оливер Эванс приобрёл за свой паровой автомобиль-амфибию. В 1789 году его первый автомобиль в США успешно прошёл сухопутное и водное испытания.

На свою амфибию, которую можно назвать прообразом вездеходов, Эванс установил машину с давлением пара в десять атмосфер!

Девятиметровый автомобиль-лодка имел вес около 15 тонн. Паровая машина приводила в движение задние колёса и гребной винт. Кстати говоря, Оливер Эванс тоже был сторонником создания парового двигателя высокого давления. На свою амфибию, которую можно назвать прообразом вездеходов, Эванс установил машину с давлением пара в десять атмосфер!

Если бы у изобретателей 18-19 веков были под рукой технологии 21 века, вы представляете, сколько техники они бы придумали!? И какой техники!

XX век и 204 км/ч на паровом автомобиле Стэнли

Да! 18 век дал мощный толчок к развитию парового транспорта. Многочисленные и разнообразные конструкции самоходных паровых повозок стали всё чаще разбавлять гужевой транспорт на дорогах Европы и Америки. К началу XX века автомобили на паровой тяге существенно распространились и стали привычным символом своего времени. Как и фотография.

18 век дал мощный толчок к развитию парового транспорта

Именно свою фотографическую компанию продали братья Стэнли, когда в 1897 году решили всерьёз заняться производством паровых авто в США. Они создавали хорошо продаваемые паромобили. Но этого им было недостаточно для удовлетворения своих амбициозных планов. Ведь они были всего лишь одни из многих таких же автопроизводителей. Так было до тех пор, пока они не сконструировали свою «ракету».

Именно свою фотографическую компанию продали братья Стэнли, когда в 1897 году решили всерьёз заняться производством паровых авто в США.

Конечно, автомобили Стэнли имели славу надёжного автомобиля. Паровой агрегат располагался сзади, а бойлер разогревался при помощи факелов бензина или керосина. Маховик парового двухцилиндрового мотора двойного действия вращение на заднюю ось посредством цепной передачи. Случаев взрывов котла у Стэнли Стимер не было. Но им нужен был фурор.

Конечно, автомобили Стэнли имели славу надёжного автомобиля.

Своей «ракетой» они произвели фурор на весь мир. 205,4 км/ч в 1906 году! Так быстро ещё не ездил никто! Авто с ДВС побил этот рекорд только 5 лет спустя. Фанерная паровая «Ракета» Стэнли определила форму гоночных авто на многие годы вперёд. Но после 1917 года Стенли Стимер всё тяжелее переживал конкуренцию дешёвого Форд Т и ушёл в отставку.

Уникальные паромобили братьев Добл

Этому знаменитому семейству удалось оказывать достойное сопротивление бензиновым моторам аж до начала 30-х годов XX века. Они не собирали машины для рекордов. Братья поистине любили свои паромобили. Иначе, чем ещё объяснить изобретённые ими сотовый радиатор и кнопку зажигания? Их модели не были похожи на малые паровозы.

Братья Абнер и Джон сделали революцию в паровом транспорте.

Братья Абнер и Джон сделали революцию в паровом транспорте. Чтобы сдвинуться с места, его машину не требовалось разогревать 10–20 минут. Кнопка зажигания нагнетала керосин из карбюратора в камеру сгорания. Он попадал туда после розжига запальной свечой. Вода нагревалась за считанные секунды, а через минуту-полторы пар создавал необходимое давление и можно было ехать.

Отработанный пар направлялся в радиатор для конденсации и подготовки к последующим циклам. Поэтому для плавного пробега на 2000 км автомобилям Доблов требовалось всего девяносто литров воды в системе и несколько литров керосина. Такой экономичности не мог предложить никто! Возможно, именно на автосалоне в Детройте в 1917 году Стэнли познакомились с моделью братьев Добл и начали сворачивать своё производство.

Модель Е стала самым роскошным автомобилем второй половины 20-х и самой последней версией паромобиля Доблов. Кожаный салон, полированные элементы из дерева и кости слона радовали состоятельных владельцев внутри автомобиля. В таком салоне можно было наслаждаться пробегом на скорости до 160 км/ч. Всего 25 секунд отделяли момент зажигание от момента старта. Ещё 10 секунд требовалось, чтобы автомобиль массой в 1,2 т разогнался до 120 км/ч!

Все эти скоростные качества были заложены в четырёхцилиндровом моторе. Два поршня выталкивались паром под высоким давлением в 140 атмосфер, а два других отправляли остывший пар низкого давления в сотовый конденсатор-радиатор. Но в первой половине 30-х годов и эти красавцы братьев Добл перестали выпускаться.

Паровые грузовые машины

Однако не стоит забывать, что паровая тяга бурно развивалась и на грузовом транспорте. Это в городах паровые автомобили вызывали аллергию у снобов. А ведь грузы должны доставляться в любую погоду и не только по городу. А междугородние автобусы и военная техника? Там легковыми малолитражками не отделаешься.

Грузовой транспорт имеет одно значительное преимущество перед легковым – это его габариты.

Грузовой транспорт имеет одно значительное преимущество перед легковым – это его габариты. Именно они позволяют разместить мощные силовые установки в любом месте автомобиля. Причём она только увеличит грузоподъёмность и проходимость. А как будет выглядеть грузовик – на это не всегда обращали внимание.

Среди паровых грузовых машин хочется выделить английский Сэнтинэл и советский НАМИ. Конечно, были и многие другие, например, Фоден, Фаулер, Йоркшир. Но именно Сэнтинэл и НАМИ оказались самыми живучими и выпускались до конца 50-х годов прошлого века. Они могли работать на любом твёрдом топливе – угле, дровах, торфе. «Всеядность» этих грузовиков на пару ставило их вне влияния цен на нефтепродукты, а также позволяло использовать их в труднодоступных местах.

Трудяга Сэнтинэл с английским акцентом

Эти два грузовика отличаются не только страной производителя. Принципы расположения парогенераторов тоже были разные. Для Сэнтинэлов характерны верхнее и нижнее расположение паровых машин относительно котла. При верхнем расположении парогенератор подавал горячий пар непосредственно в камеру двигателя, который был связан с мостами системой карданных валов. При нижнем расположении парового двигателя, т. е. на шасси, котёл разогревал воду и подавал пар в двигатель по трубкам, что гарантировало потери температуры.

Для Сэнтинэлов характерны верхнее и нижнее расположение паровых машин относительно котла.

Наличие цепной передачи от маховика паровой машины на карданы было типичным для обоих типах. Это позволило конструкторам унифицировать выпуск Сэнтинэлов в зависимости от заказчика. Для жарких стран, таких как Индия, выпускали паровые грузовики с нижним, разделённым расположением котла и двигателя. Для стран с холодными зимами – с верхним, совмещённым типом.

Для жарких стран, таких как Индия, выпускали паровые грузовики с нижним, разделённым расположением котла и двигателя.

На этих грузовиках применяли множество проверенных технологий. Золотники и клапаны распределения пара, двигатели простого и двойного действия, с высоким или низким давлением, с или без КПП. Однако, это не продлили жизнь английским паровым грузовикам. Хоть они и выпускались до конца 50-х годов XX века и даже состояли на воинской службе до и во время 2-й мировой войны, они всё же были громоздкими и чем-то напоминали паровозы. А так как в их кардинальной модернизации не было заинтересованных особ, то их участь была предрешена.

Хоть они и выпускались до конца 50-х годов XX века и даже состояли на воинской службе до и во время 2-й мировой войны, они всё же были громоздкими и чем-то напоминали паровозы.

Кому что, а нам – НАМИ

Чтобы поднять разрушенную войной экономику советского союза, нужно было найти способ не тратить ресурсы нефти, хотя бы в труднодоступных местах – на севере страны и в Сибири. Советским инженерам была предоставлена возможность изучить конструкцию Сэнтинэла с верхним расположением четырёхцилиндровой паровой машины прямого действия и разработать свой «ответ Чемберлену».

В 30-х годах российские институты и конструкторские бюро предпринимали неоднократные попытки создания альтернативного грузовика для лесной промышленности.

В 30-х годах российские институты и конструкторские бюро предпринимали неоднократные попытки создания альтернативного грузовика для лесной промышленности. Но каждый раз дело останавливалось на стадии испытаний. Используя собственный опыт и возможность изучения трофейных паромобилей, инженерам удалось убедить руководство страны в необходимости такого грузовика-паровика. Тем более что бензин стоил в 24 раза дороже угля. А со стоимостью дров в тайге вообще можно не упоминать.

Группа конструкторов под руководством Ю. Шебалина максимально упростили парового агрегата в целом. Они совместили четырёхцилиндровый двигатель и котёл в один агрегат и расположили его между кузовом и кабиной. Поставили эту установку на шасси серийного ЯАЗ (МАЗ)-200. Работа пара и его конденсация были совмещены в замкнутом цикле. Подача дровяных чушек из бункера осуществлялась автоматически.

Так появился на свет, вернее на лесном бездорожье, НАМИ-012. Очевидно, принцип бункерной подачи твёрдого топлива и расположение паровой машины на грузовом автомобиле был заимствован из практики газогенераторных установок.

Судьба хозяина лесов – НАМИ-012

Характеристики парового отечественного бортового грузовика и лесовоза НАМИ-012 были такие

Грузоподъёмность – 6 тонн
Скорость – 45 км/ч
Дальность пробега без дозаправки топлива – 80 км, если была возможность обновить запас воды, то 150 км
Крутящий момент на малых оборотах – 240 кгм, что превышало почти в 5 раз показатели базового ЯАЗ-200
Котёл с естественной циркуляцией создавал давление в 25 атмосфер и доводил пар до температуры 420°С
Пополнять запасы воды возможно было непосредственно из водоёма через эжекторы
Цельнометаллическая кабина не имела капот и была выдвинута вперёд
Скорость регулировалась объёмом пара в двигателе при помощи рычага подачи/отсечки. С его помощью цилиндры наполнялись на 25/40/75%.
Одна задняя передача и три педаль управления.

Серьёзными недостатками парового грузовика были расход 400 кг дров на 100 км пути и необходимость в мороз избавляться от воды в котле.

Серьёзными недостатками парового грузовика были расход 400 кг дров на 100 км пути и необходимость в мороз избавляться от воды в котле. Но основным минусом, который присутствовал у первого образца, была плохая проходимость в незагруженном состоянии. Тогда получалось, что передняя ось была перегружена кабиной и паровым агрегатом, по сравнению с задней. С этой задачей справились, установив модернизированную паросильную установку на полноприводный ЯАЗ-214. Теперь и мощность лесовоза НАМИ-018 была доведена до 125 лошадиных сил.

Но, не успев распространиться по стране, парогенераторные грузовики были все утилизированы во второй половине 50-х годов прошлого века.

Но, не успев распространиться по стране, парогенераторные грузовики были все утилизированы во второй половине 50-х годов прошлого века. Впрочем, вместе с газогенераторными. Потому что стоимость переделки автомобилей, экономический эффект и удобство эксплуатации были трудоёмки и сомнительны, по сравнению с бензиновыми и дизельными грузовиками. Тем более что к этому времени в Советском Союзе уже налаживалась добыча нефти.

Скоростной и доступный современный паровой автомобиль

Не стоит думать, что идея автомобиля на паровой тяге забыта навсегда. Сейчас проявляется значительный рост интереса к двигателям, альтернативным ДВС на бензине и дизтопливе. Мировые запасы нефти не безграничны. Да, и стоимость нефтепродуктов постоянно увеличивается. Конструкторы так старались усовершенствовать ДВС, что их идеи почти достигли своего лимита.

Электромобили, авто на водороде, газогенераторные и паромобили вновь стали актуальными темами. Здравствуй, забытый 19 век!

Сейчас проявляется значительный рост интереса к двигателям, альтернативным ДВС на бензине и дизтопливе.

Британский инженер (опять Англия!) продемонстрировал новые возможности парового двигателя. Он создал свой Inspuration не только для демонстрации актуальности автомобилей паровой тяге. Его детище сделано для рекордов. 274 км/ч – такова скорость, которую разгоняют двенадцать котлов, установленных на 7,6 метровый болиде. Всего 40 литров воды достаточно, чтобы сжиженный газ буквально за миг довёл температуру пара до 400°С. Подумать только, истории понадобилось 103 года, чтобы побить рекорд скорости автомобиля на паровой тяге, установленный «Ракетой»!

В современном парогенераторе можно использовать уголь в виде порошка или другое дешёвое топливо, например, мазут, сжиженный газ. Именно поэтому паровые автомобили всегда были и будут популярны.

Но чтобы настало экологически чистое будущее, опять необходимо преодолевать сопротивление нефтяных лоббистов.

На анимированной иллюстрации приведен принцип работы парового двигателя.

Первый такт

Выпуск

Второй такт

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.

Виды паровых двигателей и их применение.

Появление универсального парового двигателя

Паровая машина за всю свою историю имела много вариаций воплощения в металл. Одним из таких воплощений — был паровой роторный двигатель инженера-механика Н.Н. Тверского. Этот паровой роторный двигатель (паровая машина) активно эксплуатировался в различных областях техники и транспорт. В русской технической традиции 19-го века такой роторный двигатель назывался — коловратная машина. Двигатель отличался долговечностью, эффективностью и высоким крутящим моментом. Но с появлением паровых турбин был забыт. Ниже представлены архивные материалы, поднятые автором этого сайта. Материалы весьма обширны, поэтому пока здесь представлена только часть их.

Пробная прокрутка сжатым воздухом (3,5 атм) парового роторного двигателя.
Модель расчитана на 10 кВт мощности при 1500 об/мин на давлении пара в 28-30 атм.

В конце 19-го века паровые двигатели — «коловратные машины Н.Тверского» были забыты потому, что поршневые паровые машины оказались проще и технологичнее в производстве (для производств того времени), а паровые турбины давали большую мощность.
Но замечание в отношении паровых турбин справдливо лишь в их больших массо-габаритных размерах. Действительно — при мощности болше 1,5-2 тыс. кВТ паровые многоцилиндровые турбины выигрывают по всем параметрам у паровых роторных двигателей, даже при дороговизне турбин. И в в начале 20-го века, когда судовые силовые установки и силовые агрегаты электростанций начинали иметь мощность во многие десятки тысяч киловатт, то только турбины и могли обеспечить такие возможности.

НО — у паровых турбин есть другой недостаток. При масштабировании их массо-габаритных парамеров в сторону уменьшения, ТТХ паровых турбин резко ухудшаются. Значительно снижается удельная мощность, падает КПД, при том что дороговизна изготовления и высокие обороты главного вала (потребность в редукторе) — остаются. Именно поэтому — в области мощностей менее 1,5 тыс. кВт (1,5 мВт) эффективную по всем параметрам паровую турбину найти практически невозможно, даже за большие деньги…

Именно поэтому в этой диапазоне мощностей появился целый «букет» экзотических и мало известных конструкций. Но чаще всего- так же дорогостоящих и малоэффективных… Винтовые турбины, турбины Тесла, осевые турбины и проч.
Но- почему-то все забыли про паровые «коловратные машины» — роторные паровые двигатели. А между тем — эти паровые машины многократно дешевле, чем любые лопаточные и винтовые механизмы (это я говорю со знанием дела- как человек изготовивший на свои деньги уже более десятка таких машин). При этом паровые «коловратные машины Н.Тверского» — имеют мощный крутящий момент с самых малых оборотов, обладают средней частотой вращения главного вала на полных оборотах от 1000 до 3000 об/мин. Т.е. такие машины хоть для электрогенератора, хоть для парового авто (автомобиля- грузовика, трактора, тягача) — не будут требовать редуктора, счепления и проч., а будут своим валом на прямую содиняться с динамо-машиной, колесами парового автомобиля и проч.
Итак- в виде парового роторного двигателя — системы «коловратной машины Н.Тверского» мы имеем универсальную паровую машину, которая прекрасно будет вырабатывать электричество питаясь от котла на твердом топливе в отдалённом лесхозе или таежном поселке, на полевом стане или вырабатывать электричество в котельной сельского поселения или «крутиться» на отходах технологического тепла (горячем воздухе) на кирпичном или цементном заводе, на литейном производстве и пр и др.
Все подобные источники тепла как раз и имеют мощность менее 1 мВт, поэтому и общепринятые турбины тут малопригодны. А других машин для утилицации тепла путем перевода в работу давления полученного пара- общая техническая практика пока не знает. Вот и не утилизирыется это тепло никак — оно просто теряется глупо и безвозвратно.
Я уже создал «паровую коловратную машину» для привода электрогенератора в 3.5 — 5 кВт (зависит от давления в пара), если все будет как планирую- то скоро будет машина и в 25 и в 40 кВт. Как раз — то что надо, чтобы обеспечивать дешевым электричеством от котла на твердом топливе или на отходах технологического тепла сельскую усадьбу, небольшое фермерское хозяйство, полевой стан и пр. и др.
В принципе — роторные двигатели хорошо масштабируются в сторону увеличения, поэтому — насаживая на один вал множество роторных секций легко многократно увеличивать мощность таких машин, просто увеличивая количество стандартных роторных модулей. Т.е вполне можно создавать паровые роторные машины мощностью 80-160-240-320 и более кВт…

Но, кроме средних и относительно крупных паросиловых установок, паросиловые схемы с малыми паровыми роторными двигателями будут востребованы и в малых силовых установках.
Например- одно из моих изобретений- «Походно-туристический электрогенератор на местном твердом топливе».
Ниже представлено видео, где испытывается упрощенный прототип такого устройства.
Но маленький паровой двигатель уже весело и энергично крутит свой электрогенератор и на дровах и прочем подножном топливе выдает электроэнергию.

Основное направление коммерческого и технического применения паровых роторных двигателей (коловратных паровых машин) — это выработка дешевого электричества на дешевом твердом топливе и горючих отходах. Т.е. малая энергетика- распределенная электрогенерация на паровых роторных двигателях. Представьте, как будет отлично вписываться роторный паровой двигатель в схему работы лесопилки- пилорамы, где нибудь на Русском Севере или в Сибири (Дальнем Востоке) где нет центрального электроснабжения, электричество дает задорого дизель-генератор на привозной издалека солярке. Зато сама лесопилка производит в день минимум полтонны щепы- опилок — горбыля, который девать некуда…

Таким древесным отходам — прямая дорога в топку котла, котел дает пар высокого давления, пар приводит в действие роторный паровой двигатель и тот крутит электрогенератор.

Точно так же можно сжигать безграничные по объемам миллионы тонн пожнивных отходов сельского хозяйства и проч. А есть еще дешевый торф, дешевый энергетический уголь и проч. Автор сайта посчитал, что затраты на топливо при выработке электричества через малую паросиловую установку (паровую машину) с паровым роторным двигателем мощностью в 500 кВт будут от 0,8 до 1,

2 рубля за киловатт.

Еще интересный вариант применения парового роторного двигателя — это установка такой паровой машины на паровой автомобиль. Грузовик — тягач паровой автомобиль, с мощным крутящим моментом и применяющий дешевое твердое топливо — очень нужная паровая машина в сельском хозяйстве и в лесной отрасли. При применении современных технологий и материалов, а так же использование в термодинамическом цикле «Органичесокго цикла Ренкина» позволят довести эффективный КПД до 26-28% на дешевом твердом топливе (или недорогом жидком, типа «печного топлива» или отработанного машинного масла). Т.е. грузовик — тягач с паровой машиной

и мощностью роторного парового двигателя около 100 кВт, будет расходовать на 100 км около 25-28 кг энергетического угля (стоимость 5-6 руб за кг) или около 40-45 кг щепы- опилок (цена которых на Севере- забирай даром)…

Есть еще много интересных и перспективных областей применения роторного парового двигателя, но размеры этой странички не позволяют все их подробно рассмотреть. В итоге- паровая машина может занять еще очень заметное место во многих областях современной техники и во многих отраслях народного хозяйства.

ЗАПУСКИ ОПЫТНОЙ МОДЕЛИ ПАРОСИЛОВОГО ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА С ПАРОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Май -2018г. После длительных экспериментов и опытных образцов сделан малый котел высокого давления. Котел опрессован на 80 атм давления, так что будет держать рабочее давление в 40-60 атм без затруднений. Запущен в работу с опытной моделью парового аксиально-поршневого двигателя моей конструкции. Работает прекрасно- смотри видео. За 12-14 минут от розжига на дровах готов давать пар высокого давления.

Сейчас я начинаю готовиться к штучному производству таких установок- котел высокого давления, паровой двигатель (роторный или аксиально-поршневой), конденсатор. Установки будут работать по замкнутой схеме с оборотом «вода- пар- конденсат».

Спрос на такие генераторы весьма большой, ибо 60% теорритории России не имеют центрального электроснабжения и сидят на дизельгенерации. А цена солярки все время растет и уже достигла 41-42 руб за литр. Да и там где электричество есть- энергокомпании тарифы все поднимают, а за подключение новых мощностей требуют больших денег.

Наткнулся на интересную статью в интернете.

«Американский изобретатель Роберт Грин разработал абсолютно новую технологию, генерирующую кинетическую энергию путем преобразования остаточной энергии (как и других видов топлива). Паровые двигатели Грина усилены поршнем и сконструированы для широкого спектра практических целей.
«
Вот так, ни больше ни меньше: абсолютно новая технология. Ну естественно стал смотреть, пытался вникнуть. Везде написано, одним из наиболее уникальных преимуществ этого двигателя является способность генерировать энергию из остаточной энергии двигателей. Точнее говоря, остаточная выхлопная энергия двигателя может быть преобразована для энергии, идущей к насосам и охлаждающим системам агрегата.
Ну и что из этого, как я понял выхлопными газами доводить воду до кипения и потом преобразовывать пар в движение. Насколько это необходимо и малозатратно, ведь… хоть этот двигатель, как пишут, и специально разработан из минимального количества деталей, но все таки он сколько то да и стоит и есть ли вообще смысл огород городить, тем более принципиально нового в этом изобретении я не вижу. А механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное уже придумано очень много. На сайте автора двухцилинровая модель продаестя, в принципе не дорого
всего 46 долларов.
На сайте автора есть видео с использованием солнечной энергии, так же есть фото где некто на лодке использует этот двигатель.
Но в обоих случаях это явно не остаточное тепло. Короче я сомневаюсь в надежности такого двигателя: «Шаровые же опоры одновременно являются полыми каналами, по которым в цилиндры подаётся пар.»
А каково ваше мнение, уважаемые пользователи сайта?
Статьи на русском

Изобретение паровых машин стало переломным моментом в истории человечества. Где-то на рубеже XVII-XVIII веков началась замена малоэффективного ручного труда, водяных колес и на совершенно новые и уникальные механизмы — паровые двигатели. Именно благодаря им стали возможны техническая и промышленная революции, да и весь прогресс человечества.

Но кто изобрел паровую машину? Кому человечество этим обязано? И когда это было? На все эти вопросы и постараемся найти ответы.

Еще до нашей эры

История создания паровой машины начинается еще в первых столетиях до нашей эры. Герон Александрийский описал механизм, который начинал работать только тогда, когда на него воздействовал пар. Устройство представляло собой шар, на котором были закреплены сопла. Из сопел по касательной выходил пар, тем самым заставляя двигатель вращаться. Это было первое устройство, которое работало на пару.

Создатель паровой машины (а точнее, турбины) — Таги-аль-Диноме (арабский философ, инженер и астроном). Его изобретение стало широко известно в Египте в XVI веке. Механизм был устроен следующим образом: потоки пара направляли прямо на механизм с лопастями, и когда дым валил — лопасти вращались. Нечто подобное в 1629 году предлагал и итальянский инженер Джованни Бранка. Главным недостатком всех этих изобретений был слишком большой расход пара, что в свою очередь требовало огромных затрат энергии и не было целесообразно. Разработки были приостановлены, так как тогдашних научных и технических знаний человечества было недостаточно. Кроме того, надобность в таких изобретениях напрочь отсутствовала.

Разработки

До XVII века создание паровой машины было невозможно. Но как только планка уровня развития человечества взлетела, тут же появились и первые экземпляры и изобретения. Хотя серьезно их никто на тот момент не воспринял. Так, например, в 1663 году английский ученый опубликовал в прессе проект своего изобретения, которое он установил в замке Реглан. Его устройство служило для того, чтобы поднимать воду на стены башен. Однако, как и все новое и неизведанное, данный проект был принят с сомнением, и спонсоров для его дальнейших разработок не нашлось.

История создания паровой машины начинается с изобретения пароатмосферной машины. В 1681 году ученый из Франции изобрел устройство, которое откачивало воду из шахт. В качестве движущей силы в первое время применялся порох, а затем его заменили на водяной пар. Так появилась пароатмосферная машина. Огромный вклад в ее усовершенствование внесли ученые из Англии Томас Ньюкомен и Томас Северен. Неоценимую помощь также оказал русский изобретатель-самоучка Иван Ползунов.

Неудавшаяся попытка Папена

Пароатмосферная машина, далекая в то время от совершенства, привлекла особое внимание в судостроительной области. Д. Папен свои последние сбережения потратил на приобретение небольшого судна, на котором занялся установкой водоподъемной пароатмосферной машины собственного производства. Механизм действия заключался в том, чтобы, падая с высоты, вода начинала вращать колеса.

Свои испытания изобретатель проводил в 1707 году на реке Фульде. Много народу собралось, чтобы посмотреть на чудо: двигающееся по реке судно без парусов и весел. Однако во время испытаний произошла катастрофа: взорвался двигатель и погибли несколько человек. Власти разозлились на неудачливого изобретателя и запретили ему какие-либо работы и проекты. Судно конфисковали и разрушили, а через несколько лет скончался и сам Папен.

Ошибка

У парохода Папена был следующий принцип работы. На дно цилиндра необходимо было залить небольшое количество воды. Под самим цилиндром располагалась жаровня, которая служила для нагревания жидкости. Когда вода начинала кипеть, образующийся пар, расширяясь, поднимал поршень. Из пространства над поршнем через специально оборудованный клапан выталкивался воздух. После того как вода закипала и начинал валить пар, необходимо было убрать жаровню, закрыть клапан, чтобы удалить воздух, и при помощи прохладной воды охладить стенки цилиндра. Благодаря таким действиям пар, находившийся в цилиндре, конденсировался, под поршнем образовывалось разрежение, и благодаря силе атмосферного давления поршень вновь возвращался на свое первоначальное место. Во время его движения вниз и совершалась полезная работа. Однако КПД паровой машины Папена был отрицательным. Двигатель парохода был крайне неэкономичен. А главное, он был слишком сложным и неудобным в эксплуатации. Поэтому изобретение Папена не имело будущего уже с самого начала.

Последователи

Однако история создания паровой машины на этом не закончилась. Следующим, уже гораздо более удачливым, чем Папен, оказался английский ученый Томас Ньюкомен. Он долго изучал работы своих предшественников, делая упор на слабые места. И взяв самое лучшее из их работ, создал в 1712 году свой аппарат. Новая паровая машина (фото представлено) была сконструирована следующим образом: использовались цилиндр, находившийся в вертикальном положении, а также поршень. Это Ньюкомен взял из работ Папена. Однако пар образовывался уже в другом котле. Вокруг поршня закреплялась цельная кожа, что значительно повышало герметичность внутри парового цилиндра. Данная машина также была пароатмосферной (вода поднималась из шахты при помощи атмосферного давления). Главными минусами изобретения были его громоздкость и неэкономичность: машина «съедала» огромное количество угля. Однако пользы она приносила значительно больше, чем изобретение Папена. Поэтому ее почти пятьдесят лет применяли в подземельях и шахтах. Ее использовали для откачивания грунтовых вод, а также для осушки кораблей. пытался преобразовать свою машину так, чтобы была возможность применять ее для движения транспорта. Однако все его попытки не увенчались успехом.

Следующим ученым, заявившим о себе, стал Д. Хулл из Англии. В 1736 году он представил миру свое изобретение: пароатмосферную машину, у которой в качестве движителя были лопастные колеса. Его разработка оказал более удачной, чем у Папена. Сразу же было выпущено несколько таких суден. В основном они использовались для того, чтобы буксировать баржи, корабли и другие суда. Однако надежность пароатмосферной машины не вызывала доверия, и суда оборудовали парусами как основным движителем.

И хотя Хуллу повезло больше, чем Папену, его изобретения постепенно потеряли актуальность, и от них отказались. Все-таки у пароатмосферных машин того времени было множество специфических недостатков.

История создания паровой машины в России

Следующий прорыв случился в Российской Империи. В 1766 году на металлургическом заводе в Барнауле была создана первая паровая машина, которая подавала в плавильные печи воздух при помощи специальных воздуходувных мехов. Создателем ее стал Иван Иванович Ползунов, которому за заслуги перед родиной даже дали офицерское звание. Изобретатель представил своему начальству чертежи и планы «огненной машины», способной приводить в действие воздуходувные мехи.

Однако судьба сыграла с Ползуновым злую шутку: через семь лет после того, как его проект был принят, а машина собрана, он заболел и умер от чахотки — всего за неделю до того, как начались испытания его двигателя. Однако его инструкций оказалось достаточно, чтобы завести двигатель.

Итак, 7 августа 1766 года паровая машина Ползунова была запущена и поставлена под нагрузку. Однако уже в ноябре того же года она сломалась. Причиной оказались слишком тонкие стенки котла, не предназначенного для нагрузки. Причем изобретатель в своих инструкциях писал, что этот котел можно использовать только во время испытаний. Изготовление нового котла легко бы окупилось, ведь КПД паровой машины Ползунова был положительный. За 1023 часа работы с ее помощью выплавили серебра 14 с лишним пудов!

Но несмотря на это, никто ремонтировать механизм не стал. Паровая машина Ползунова пылилась более 15 лет на складе, пока мир промышленности не стоял на месте и развивался. А потом и вовсе была разобрана на запчасти. Видимо, в тот момент Россия еще не доросла до паровых двигателей.

Требования времени

Между тем жизнь на месте не стояла. И человечество постоянно задумывалось над тем, чтобы создать механизм, позволяющий не зависеть от капризной природы, а самим управлять судьбой. От паруса все хотели отказаться как можно быстрее. Поэтому вопрос о создании парового механизма постоянно висел в воздухе. В 1753 году в Париже был выдвинут конкурс среди мастеров, ученых и изобретателей. Академия наук объявила награду тому, кто сможет создать механизм, способный заменить силу ветра. Но несмотря на то что в конкурсе участвовали такие умы, как Л. Эйлер, Д. Бернулли, Кантон де Лакруа и другие, дельного предложения не вынес никто.

Годы шли. И промышленная революция накрывала все больше и больше стран. Первенство и лидерство среди других держав доставалось неизменно Англии. К концу восемнадцатого века именно Великобритания стала создательницей крупной промышленности, благодаря чему завоевала титул всемирной монополистки в данной отрасли. Вопрос о механическом двигателе с каждым днем становился все более актуальным. И такой двигатель был создан.

Первая паровая машина в мире

1784 год стал для Англии и для всего мира переломным моментом в промышленной революции. И человеком, ответственным за это, стал английский механик Джеймс Уатт. Паровая машина, которую он создал, стала самым громким открытием века.

На протяжении нескольких лет изучал чертежи, строение и принципы работы пароатмосферных машин. И на основании всего этого он сделал вывод, что для эффективности работы двигателя необходимо сравнять температуры воды в цилиндре и пара, который попадает в механизм. Главный минус пароатмосферных машин заключался в постоянной необходимости охлаждения цилиндра водой. Это было расходно и неудобно.

Новая паровая машина была сконструирована иным образом. Так, цилиндр заключался в специальную рубашку из пара. Таким образом Уатт добился его постоянного нагретого состояния. Изобретатель создал специальный сосуд, погруженный в холодную воду (конденсатор). К нему трубой присоединялся цилиндр. Когда пар отрабатывался в цилиндре, то через трубу попадал в конденсатор и там превращался обратно в воду. Работая над усовершенствованием своей машины, Уатт создал разрежение в конденсаторе. Таким образом, весь пар, попадавший из цилиндра, конденсировался в нем. Благодаря этому нововведению очень сильно увеличивался процесс расширения пара, что в свою очередь позволяло извлекать из того же количества пара намного больше энергии. Это был венец успеха.

Создатель паровой машины также изменил и принцип подачи воздуха. Теперь пар попадал сначала под поршень, тем самым поднимая его, а затем собирался над поршнем, опуская. Таким образом, оба хода поршня в механизме стали рабочими, что ранее даже не представлялось возможным. А расход угля на одну лошадиную силу был в четыре раза меньше, чем, соответственно, у пароатмосферных машин, чего и добивался Джеймс Уатт. Паровая машина очень быстро завоевала сначала Великобританию, ну а затем и целый мир.

«Шарлотта Дандас»

После того как весь мир был поражен изобретением Джеймса Уатта, началось широкое применение паровых машин. Так, в 1802 году в Англии появился первый корабль на пару — катер «Шарлотта Дандас». Его создателем считается Уильям Саймингтон. Катер применялся в качестве буксировки барж по каналу. Роль движителя на судне играло гребное колесо, установленное на корме. Катер с первого раза успешно прошел испытания: отбуксировал две огромные баржи на 18 миль за шесть часов. При этом ему сильно мешал встречный ветер. Но он справился.

И все-таки его поставили на прикол, потому что опасались, что из-за сильных волн, которые создавались под гребным колесом, берега канала будут размыты. Кстати, на испытаниях «Шарлотты» присутствовал человек, которого весь мир сегодня считает создателем первого парохода.

в мире

Английский судостроитель с юношеских лет мечтал о судне с паровым двигателем. И вот его мечта стала осуществима. Ведь изобретение паровых машин стало новым толчком в судостроительстве. Вместе с посланником из Америки Р. Ливингстоном, который взял на себя материальную сторону вопроса, Фултон занялся проектом корабля с паровой машиной. Это было сложное изобретение, основанное на идее весельного движителя. По бортам судна тянулись в ряд плицы, имитирующие множество весел. При этом плицы то и дело мешали друг другу и ломались. Сегодня можно с легкостью сказать, что тот же эффект мог быть достигнут всего при трех-четырех плицах. Но с позиции науки и техники того времени это увидеть было нереально. Поэтому судостроителям приходилось намного сложнее.

В 1803 году изобретение Фултона было представлено всему миру. Пароход медленно и ровно шел по Сене, поражая умы и воображение многих ученых и деятелей Парижа. Однако правительство Наполеона отвергло проект, и раздосадованные судостроители вынуждены были искать счастья в Америке.

И вот в августе 1807 года первый в мире пароход под названием «Клермонт», в котором была задействована мощнейшая паровая машина (фото представлено), пошел по Гудзонскому заливу. Многие тогда просто не верили в успех.

В свой первый рейс «Клермонт» отправился без грузов и без пассажиров. Никто не хотел отправляться в путешествие на борту огнедышащего судна. Но уже на обратном пути появился первый пассажир — местный фермер, заплативший шесть долларов за билет. Он стал первым пассажиром в истории пароходства. Фултон был так сильно растроган, что предоставил смельчаку пожизненный бесплатный проезд на всех своих изобретениях.

Статья опубликована 19.05.2014 05:36
Последняя правка произведена 19.05.2014 05:58

О истории развития парового двигателя, достаточно подробно описано в этой статье . Тут же — наиболее известные решения и изобретения времен 1672-1891 года.

Первые наработки.

Начнем с того, что еще в семнадцатом веке пар стали рассматривать как средство для привода, проводили с ним всяческие опыты, и лишь только в 1643 году Эванджелистом Торричелли было открыто силовое действие давления пара. Кристиан Гюйгенс через 47 лет спроектировал первую силовую машину, приводившуюся в действие взрывом пороха в цилиндре. Это был первый прототип двигателя внутреннего сгорания. На аналогичном принципе устроена водозаборная машина аббата Отфея. Вскоре Дени Папен решил заменить силу взрыва на менее мощную силу пара. В 1690 году им была построена первая паровая машина
, известная также как паровой котел.

Она состояла из поршня, который с помощью кипящей воды перемещался в цилиндре вверх и за счет последующего охлаждения снова опускался – так создавалось усилие. Весь процесс происходил таким образом: под цилиндром, который выполнял одновременно и функцию кипятильного котла, размещали печь; при нахождении поршня в верхнем положении печь отодвигалась для облегчения охлаждения.

Позже два англичанина, Томас Ньюкомен и Коули – один кузнец, другой стекольщик, – усовершенствовали систему путем разделения кипятильного котла и цилиндра и добавления бака с холодной водой. Эта система функционировала с помощью клапанов или кранов – одного для пара и одного для воды, которые поочередно открывались и закрывались. Затем англичанин Бэйтон перестроил клапанное управление в подлинно тактовое.

Применение паровых машин на практике.

Машина Ньюкомена вскоре стала известна повсюду и, в частности, была усовершенствована, разработанной Джеймсом Уаттом в 1765 году системой двойного действия. Теперь паровая машина
оказалась достаточно завершенной для использования в транспортных средствах, хотя из-за своих размеров лучше подходила для стационарных установок. Уатт предложил свои изобретения и в промышленности; он построил также машины для текстильных фабрик.

Первая паровая машина, используемая в качестве средства передвижения, был изобретена французом Николя Жозефом Куньо, инженером и военным стратегпм-любителем. В 1763 или 1765 году он создал автомобиль, который мог перевозить четырех пассажиров при средней скорости 3,5 и максимальной – 9,5 км/час. За первой попыткой последовала вторая – появился автомобиль для транспортировки орудий. Испытывался он, естественно, военными, но из-за невозможности продолжительной эксплуатации (непрерывный цикл работы новой машины не превышал 15 минут) изобретатель не получил поддержки властей и финансистов. Между тем в Англии совершенствовалась паровая машина. После нескольких безуспешных, базировавшихся на машине Уаттa попыток Мура, Вильяма Мердока и Вильяма Саймингтона, появилось рельсовое транспортное средство Ричарда Тревисика, созданное по заказу Уэльской угольной шахты. В мир пришел активный изобретатель: из подземных шахт он поднялся на землю и в 1802 году представил человечеству мощный легковой автомобиль, достигавший скорости 15 км/час на ровной местности и 6 км/час на подъеме.

Превью — увеличение по клику.

Приводимые в движение паром транспортные средства все чаще использовались и в США: Натан Рид в 1790 году удивил жителей Филадельфии своей моделью парового автомобиля
. Однако еще больше прославился его соотечественник Оливер Эванс, который спустя четырнадцать лет изобрел автомобиль-амфибию. После наполеоновских войн, во время которых «автомобильные эксперименты» не проводились, вновь началась работа над изобретением и усовершенствованием паровой машины
. В 1821 году ее можно было считать совершенной и достаточно надежной. С тех пор каждый шаг вперед в сфере приводимых в движение паром транспортных средств определенно способствовал развитию будущих автомобилей.

В 1825 году сэр Голдсуорт Гарни на участке длиной 171 км от Лондона до Бата организовал первую пассажирскую линию. При этом он использовал запатентованную им карету, имевшую паровой двигатель. Это стало началом эпохи скоростных дорожных экипажей, которые, однако, исчезли в Англии, но получили широкое распространение в Италии и во Франции. Подобные транспортные средства достигли наивысшего развития с появлением в 1873 году «Реверанса» Амедэ Балле весом 4500 кг и «Манселя» – более компактного, весившего чуть более 2500 кг и достигавшего скорости 35 км/час. Оба были предвестниками той техники исполнения, которая стала характерной для первых «настоящих» автомобилей. Несмотря на большую скорость кпд паровой машины
был очень маленький. Болле был тем, кто запатентовал первую хорошо действующую систему рулевого управления, он так удачно расположил управляющие и контрольные элементы, что мы и сегодня это видим на приборном щитке.

Превью — увеличение по клику.

Несмотря на грандиозный прогресс в области создания двигателя внутреннего сгорания, сила пара все еще обеспечивала более равномерный и плавный ход машины и, следовательно, имела много сторонников. Как и Болле, который построил и другие легкие автомобили, например Rapide в 1881 году со скоростью движения 60 км/час, Nouvelle в 1873 году, которая имела переднюю ось с независимой подвеской колес, Леон Шевроле в период между 1887 и 1907 годами запустил несколько автомобилей с легким и компактным парогенератором, запатентованным им в 1889 году. Компания De Dion-Bouton, основанная в Париже в 1883 году, первые десять лет своего существования производила автомобили с паровым двигателями и добилась при этом значительного успеха – ее автомобили выиграли гонки Париж-Руан в 1894 году.

Превью — увеличение по клику.

Успехи компании Panhard et Levassor в использовании бензина привели, однако, к тому, что и De Dion перешел на двигатели внутреннего сгорания. Когда братья Болле стали управлять компанией своего отца, они сделали то же самое. Затем и компания Chevrolet перестроила свое производство. Автомобили с паровыми двигателями все быстрее и быстрее исчезали с горизонта, хотя в США они использовались еще до 1930 года. На этом самом моменте и прекратилось производство и изобретение паровых машин

Как устроен и работает паровоз. Часть 1

Коснемся прародителя всей славной семьи локомотивов – Паровоза. Итак, если вы думаете, что этот экземпляр уже далеко в прошлом, то вы ошибаетесь.

В настоящее время паровозы еще активно работают на многих железных дорогах мира, даже в таких передовых странах, как США, Китай, Канада. Встречаются они и у нас во главе ретро-поездов. Много паровозов стоит и на базах запаса в законсервированном состоянии на случай непредвиденных обстоятельств.

паровоз

Устройство паровоза

Паровоз – это мобильный локомотив, приводимый в движение силой пара. А где же его берут? Пар образуется в паровом котле, а для этого в котел подается вода, разогреваемая огнем, горящим внизу в топке. Это основа паровоза. Котел имеет в своем составе топку, в верхней части которой греется вода, дымогарные трубы, жаровые трубы, сухопарники, дымовую коробку.

Котел опирается на экипажную часть. Пар, получаемый в котле направляется по паропроводам в паровую машину. Паровая машина через кривошипно-шатунный механизм соединена с ведущими колесами, закрепленными на оси. Ведущие колеса, через кривошип, соединены с паровой машиной главным дышлом, а остальные колеса соединяются с ведущими колесами системой прицепных дышел, чтобы также участвовать в тяге.

Управление паровозом осуществляется из будки машиниста. Для хранения запасов угля и воды к паровозу прицеплен тендер.

Итак, уголь поступил в топку из тендера (на ранних моделях уголь закидывался в топку вручную, помощником машиниста, кочегар отвечал за тендер и подачу угля к лотку, откуда помощник брал его лопатой). На более поздних конструкциях устанавливались автоматические углеподатчики (стокеры), вал которых приводился в движение силой пара. Уголь хорошо горит, вода, поступившая из тендера, путем перекачки инжекторами, закипела, что дальше?

Чтобы пар с полной силой двигал поршни паровой машины он должен быть перегретым, т.е., вода должна закипеть не при 100 градусах Цельсия, как обычно, а при 200 и даже более. Это достигается путем создания в котле избыточного давления. Топка обмуровывается огнестойким кирпичом, уголь подается на колосниковую решетку, на которой и происходит горение.

Непосредственно топка (огневая коробка) имеет стальной кожух, тем самым между топкой и кожухом есть пространство, заполненное водой, где она и греется. Топка с кожухом соединены посредством стальных стержней – топочных связей по всему своему периметру. Конструкция топки опирается на раму паровоза. Все продукты сгорания уходят через дымогарные трубы в дымовую коробку, а оттуда через трубу в атмосферу.

Для перегревания пара существуют трубы жаровые, они также находятся в котле, но дополнительно подогревают пар, эти устройства называются пароперегревателями. Топка работает в очень тяжелом режиме: температура сгорания топлива может составлять до 1600 градусов, вода закипает при температуре 200 и более градусов, давление пара достигает десятков атмосфер.

Топка паровоза — ШУРОВОЧНОЕ отверстие

В топке имеется шуровочное отверстие, через которое происходит загрузка угля и контроль за состоянием горения топлива и внутренних узлов топки. Данное отверстие закрыто створками, которые открываются вручную посредством рычага и автоматически (силой пара или воздуха). Пар из котла поступает в сухопарники (эти устройства можно видеть на крыше котла, в виде таких больших, как бы сказать, кастрюль). В сухопарниках пар оставляет излишнюю влагу, а оттуда по паропроводам поступает в цилиндры паровой машины, к ее поршням, через цилиндр золотников.

Паровая машина

Паровая машина имеет цилиндры силовых поршней и над ними расположены цилиндры поменьше – для золотников. Из цилиндров золотниковых, пар, через два канала, поступает в цилиндр главного поршня, с одного или другого торца, двигая тем самым поршень, в ту или другую стороны.

Паровая машина

А как это достигается?

Конечно, посредством расположенных в верхнем цилиндре золотников. Золотник представляет из себя два небольших поршня, расположенных на одном штоке, с обоих его сторон, скажем так, в виде гантели. Золотники передвигаются взад и вперед, перекрывая своим поршнем один канал для подачи пара и открывая другой, обеспечивая тем самым, возвратно-поступательные движения главного поршня. Как это происходит мы рассмотрим далее.

Поршень также располагается на штоке, один конец которого входит в зацепление с ведущим дышлом. Цилиндры паровой машины расположены с обоих сторон паровоза. Отработанный в цилиндрах пар выпускается через специальные клапаны, расположенные снизу с обоих концов цилиндра в атмосферу.

Движение паровоза

Теперь нам остается подать пар в цилиндры и ехать. Но ехать еще рано. Необходимо выбрать направление движения нашего паровоза, так сказать, отреверсировать. Как это достигается?

Мы уже коснулись такого понятия, как, кривошипно-шатунный механизм, так вот, все это его работа. Для изменения направления движения паровоза включается в работу кулисный механизм с сервомотором. Сервомотор представляет из себя обычный цилиндр, в нем находится поршень со штоком. Сервомотор переводится силой сжатого воздуха или силой пара, располагается, как правило, с правой стороны над экипажной частью. Управляет им машинист, посредством рычага реверса. Шток сервомотора соединен с верхней частью кулисы, согнутой в виде полумесяца деталью, с прорезью.

Сама кулиса закрепляется посредине к раме паровоза. В этой прорези находится устройство, называемое, кулисный камень. Кулисный камень передвигается в пазах кулисы, он соединен тягой со штоком золотников. Нижняя часть кулисы тягой соединяется с кривошипом главного ведущего колеса, на котором расположен эксцентрик. Таким образом шток сервомотора разворачивает кулису, в ней, вверх или вниз, перемещается кулисный камень, который своей тягой переводит золотники в одно из положений, необходимое для движения в ту или другую сторону, открывая тем самым нужный паропроводный канал над одной из сторон главного поршня. Другой тягой, расположенной в нижней части кулисы, переводится кривошип с эксцентриком, в сторону нужного направления движения.

Но это еще не все функции кулисного механизма, он очень важен, далее мы рассмотрим еще одну главную его функцию.

Ну теперь-то можно ехать? Попробуем. На торце котла, со стороны машиниста расположен регулятор, именно им регулируется подача пара в цилиндры. Это рычаг с рукояткой, имеющей фиксатор, расположенный на зубчатом секторе. Верхняя его часть тягой соединена со специальной заслонкой, расположенной в сухопарнике, которая регулирует величину подачи пара. Итак, паровоз отреверсирован, пар у нас есть, все, можно ехать.

Машинист переводит регулятор в первое положение, заслонка в сухопарнике открывается и пар пошел в цилиндры, через золотники, к главным поршням. Паровоз двинулся в нужную нам сторону.

Так вот, теперь уже кривошип главного колеса, вращаясь передвигает нижнюю часть кулисы, а эта нижняя часть, как нам уже известно, соединена со штоком золотников, посредством кулисного камня с тягой. Система парораспределения работает, золотники, соединенные тягой с кривошипом, двигаются взад и вперед, подавая пар то в один, то в другой канал цилиндра главного поршня, он перемещается и посредством штока перемещает главное (ведущее) дышло.

Так паровоз и движется. Главные колеса соединены с другими прицепными дышлами, таким образом работают на движение все колеса паровоза. Необходимо отметить, что шток поршня соединяется с ведущим дышлом посредством специального механизма – крейцкопфа.

Крейцкопф

Крейцкопф (ползун) – это деталь вышеописанного кривошипно-шатунного механизма, который совершает по неподвижным направляющим возвратно-поступательное движение. Применение крейцкопфа позволяет разгрузить поршень со штоком от действия силы нагрузки, в этом случае ее действие переносится на крейцкопф. Дополнительно создается вторая рабочая полость в цилиндре под поршнем. Таким образом один конец ведущего дышла закреплен в крейцкопфе, а второй посажен на кривошип.

Все ведущие колеса паровоза исполняются для облегчения веса с вырезами в виде спиц или отверстий. Обязательно эти колеса имеют противовесы.

Как правило бандажи главных колес не имеют гребней (безгребневые), это сделано для улучшения прохождения (вписывания) паровозом кривых.

На верхней части цилиндров паровой машины установлены пресс-масленки, для смазывания трущихся частей кривошипно-шатунного механизма. Сжатый воздух, необходимый для работы автотормозов состава и нужд самого паровоза получается в паровоздушном насосе, типа тандем компаунд. Расположен данный насос, как правило, в передней части паровоза, в зависимости от конструкции паровоза. Из насоса сжатый воздух поступает в главные резервуары, расположенные под котлом паровоза. Перед троганием с места цилиндры паровоза продуваются паром, для удаления влаги, во избежание гидравлического удара.

Далее часть 2

Как работают паровые машины?

Как работают паровые двигатели? | Кто изобрел паровые двигатели?

Вы здесь:
Домашняя страница >
Инжиниринг >
Паровые машины

Дом
индекс А-Я
Случайная статья
Хронология
Учебное пособие
О нас
Конфиденциальность и файлы cookie

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 15 января 2022 г.

Представьте, что вы живете только за счет угля и
вода и еще достаточно энергии
бегать со скоростью более 100 миль в час! Это именно то, что может сделать паровоз.
Хотя эти гигантские механические динозавры в настоящее время вымерли на большей части
железных дорог мира, паровые технологии живут в сердцах людей и
такие локомотивы до сих пор используются как туристические достопримечательности во многих культурных центрах.
железные дороги.

Паровозы приводились в движение паровыми двигателями и заслужили
вспомнили, потому что они прокатились по миру через Индустриальный
Революция 18-19 веков. Паровые двигатели занимают
машины,
самолеты, телефоны,
радио и телевидение
среди величайших изобретений всех времен. Это чудеса техники и превосходные
примеры инженерной мысли, но под всем этим дымом и паром, как
точно работают?

На фото: паровой железнодорожный локомотив, работающий на железной дороге Твитси в Северной Каролине.
Это узкоколейный поезд, а значит, колея не такая широкая, как на обычной железной дороге. Узкие дорожки
часто используются в гористой местности и в другой труднопроходимой местности, потому что их обычно дешевле строить.
Предоставлено: фотографии из американского проекта Кэрол М. Хайсмит в архиве Кэрол М. Хайсмит,
Библиотека Конгресса, Отдел эстампов и фотографий.

Содержание

Что приводит в действие паровой двигатель?
Что такое паровая машина?
Как работает паровой двигатель
Типы паровых машин
Пар действительно умер?
Кто изобрел паровую машину… и когда?
Узнать больше

Что приводит в действие паровой двигатель?

Чтобы сделать что угодно, нужна энергия
можно придумать — кататься на скейтборде,
летать на самолете, ходить в магазины или водить машину по
улица. Большая часть энергии, которую мы сегодня используем для транспорта, поступает из
масла, но так было не всегда. До начала 20 века основным источником энергии был уголь.
любимое топливо в мире, и оно приводило в действие все, от поездов до кораблей
к злополучным паровым самолетам, изобретенным американским ученым
Сэмюэл П. Лэнгли, один из первых соперников братьев Райт. Что было так
специально для угля? Внутри Земли его много, так что это было
относительно недорогой и широко доступный.

Уголь является органическим химическим веществом, что означает
он основан на элементе
углерод. Уголь образуется в течение миллионов лет, когда останки мертвых
растения погребены под камнями, сдавлены давлением и
приготовленный внутренним теплом Земли.
Вот почему его называют ископаемым топливом. Куски угля на самом деле являются кусками
энергия. Углерод внутри них связан с атомами водорода и
кислород соединениями, называемыми химическими связями. Когда мы сжигаем уголь в костре,
связи разрываются, и энергия высвобождается в виде тепла.

Уголь содержит около вдвое энергии на килограмм по сравнению с более чистыми ископаемыми видами топлива, такими как бензин, дизельное топливо и керосин, и это одна из причин, почему паровые двигатели должны сжигать так много его.

Фото: Основные части паровоза.
(Альтернативный вид сбоку смотрите здесь. ) Это бывший цистерна-локомотив British Railways Standard 4MT под номером 80104 (построен в Брайтоне в 1955 году).
работает на железной дороге Суонидж, Англия, август 2008 года.
Почитайте, как его восстановили из ржавеющей кучи и вернули в строй
его владельцы, «Южные локомотивы», в
80104 Реставрация.

Что такое паровая машина?

Паровой двигатель — это машина, которая сжигает уголь для выделения тепла
энергия, которую он содержит, так что это пример того, что мы называем тепловым двигателем. Это
немного похоже на гигантский чайник, стоящий на вершине угольного огня. Тепло от огня кипятит воду в чайнике и превращает ее в пар. Но вместо того, чтобы бесполезно сдуться в воздух,
как и пар из чайника, пар улавливается и используется для питания
машина. Давайте узнаем, как!

Как работает паровой двигатель

Грубо говоря, паровая машина состоит из четырех частей:

Огонь, в котором горит уголь.
Котел, наполненный водой, которую огонь нагревает до пара.
Цилиндр и поршень, похожие на велосипедный насос, но намного
больше. Пар из котла подается в цилиндр, вызывая
поршень двигался сначала в одну сторону, потом в другую. Это движение вперед и назад
(который также известен как «поршневой») используется для привода…
Машина, прикрепленная к поршню. Это может быть что угодно от
водяной насос к заводскому станку… или даже к гигантскому паровозу
бегать вверх и вниз по железной дороге.

Конечно, это очень упрощенное описание. На самом деле, даже в одном устройстве есть сотни или, может быть, даже тысячи деталей.
Самый маленький локомотив.

Пошагово

Проще всего увидеть, как все работает, в нашей небольшой анимации
паровоза, внизу. В кабине локомотива вы загружаете уголь
в топку (1), что вполне
буквально металлический ящик
содержащий ревущий угольный огонь. Огонь нагревает котел — «гигантский
чайник» внутри паровоза.

Котел (2) в паровозе
не очень похоже
чайник, который вы бы использовали, чтобы заварить чашку чая, но он работает
таким же образом, производя пар под высоким давлением.
Котел представляет собой большой резервуар с водой с десятками тонких металлических трубок.
Бег
через него (для простоты мы показываем здесь только один, окрашенный в оранжевый цвет).
Трубы идут от топки к дымоходу, перенося тепло и
дым от костра с ними (показан белыми точками внутри трубки).
Такое расположение котельных труб, как их называют, означает
двигатель
огонь может нагревать воду в баке котла намного быстрее, поэтому он производит пар
быстрее и эффективнее. Вода, которая делает пар либо
поступает из цистерн, установленных сбоку от локомотива, или из отдельного вагона, называемого тендером, который тянется за локомотивом.
локомотив. (Тендер также осуществляет поставку угля для локомотива.) Вы можете увидеть фото
тендера с резервуаром для воды ниже на этой странице.

Пар, образующийся в котле, стекает в цилиндр (3)
прямо перед колесами, толкая плотно прилегающий плунжер, поршень
(4), туда и обратно. Маленькая механическая заслонка в цилиндре, известная как
впускной клапан
(показан оранжевым цветом) пропускает пар. Поршень соединен с одним или
больше колес паровоза через своего рода плечо-локоть-рука
соединение, называемое кривошипом и шатуном
(5).

Когда поршень толкает, кривошип и шатун поворачивают
колеса локомотива и приведите поезд в движение (6).
Когда поршень достигает конца цилиндра, он не может толкать
дальше. Импульс поезда (стремление продолжать движение) несет в себе
проворачивая вперед, толкая поршень обратно в цилиндр таким образом,
Оно пришло. Клапан подачи пара закрывается. Открывается выпускной клапан и
поршень выталкивает пар обратно через цилиндр и наружу
паровозная труба (7). Прерывистый шум пыхтения, который
паровой двигатель делает, и его прерывистые клубы дыма происходят, когда
поршень движется вперед-назад в цилиндре.

С каждой стороны локомотива есть цилиндр, и два цилиндра
стреляйте немного не в ногу друг с другом, чтобы всегда
мощность, толкающая двигатель вперед.

Рекламные ссылки

Типы паровой машины

Фото: Крупный план поршня и цилиндра паровой машины.

На приведенной выше схеме показана очень простая одноцилиндровая паровая машина, приводящая в действие
паровоз по рельсам. Это называется поворотный
готовить на пару
двигатель, потому что работа поршня состоит в том, чтобы заставить колесо вращаться.
самые ранние паровые машины работали совершенно по-другому. Вместо
поворачивая колесо, поршень толкал балку вверх и вниз простым
возвратно-поступательное или возвратно-поступательное движение.
Поршневой пар
двигатели использовались для откачки воды из затопленных угольных шахт в начале
18-ый век.

На нашей диаграмме пар толкает поршень в одну сторону, а импульс
локомотива, ведущего его в другую сторону. Это называется одностороннего действия.
паровой двигатель, и это довольно неэффективная конструкция, потому что поршень
питание только в половине случаев. Гораздо лучше (хотя и немного больше
сложная) конструкция использует дополнительные паровые трубы и клапаны для подачи пара
поршень сначала в одну сторону, потом в другую. это называется двойное действие
(или противоточная) паровая машина.
Он мощнее, потому что пар все время приводит поршень в движение.
время.

Анимация: в цилиндре двойного действия клапан (оранжевый) щелкает вперед и назад, позволяя пару входить (желтый) и выходить (красный) из цилиндра с обоих направлений, таким образом обеспечивая мощность в два раза больше времени. Я упростил механизм здесь, чтобы его было легко понять. Клапан фактически скользит из стороны в сторону, а не переворачивается.

Если вы внимательно посмотрите на колеса типичной паровой машины, вы
видите, что все сложнее, чем мы видели в простой анимации выше:
там гораздо больше механизмов, чем просто кривошип и шатун. На самом деле, есть
замысловатая коллекция блестящих рычагов, двигающихся вперед и назад с дотошным
точность. Это называется клапанным механизмом. Его работа
заключается в открытии и закрытии клапанов цилиндров в нужные моменты, чтобы позволить
пар поступает с обоих концов, чтобы двигатель работал как можно эффективнее и мощнее, а также чтобы он
ехать задним ходом. Существует довольно много различных типов
клапанный механизм; один из наиболее распространенных дизайнов называется Walschaerts, названный в честь
его бельгийский изобретатель Эгиде Вальшартс (1820–1919 гг.01). Танковый двигатель 80104
показанный на второй фотографии на этой странице, имеет клапанный механизм типа Walschaerts, как и
Эддистоун, локомотив, изображенный ниже.

Фото: Клапанный механизм Walschaerts на типичном большом паровозе,
34028 Эддистоун.

Первые паровые машины были очень большими и неэффективными, а значит
требовалось огромное количество угля, чтобы заставить их что-либо делать. Более поздние двигатели
производил пар при гораздо более высоком давлении: пар производился в
меньший, гораздо более прочный котел, поэтому он выдавливался с большей силой и
ударил поршень сильнее. Дополнительная сила высокого давления
готовить на пару
двигатели позволили инженерам сделать их легче и компактнее,
и именно это проложило путь паровозам, пароходам,
и паровые машины.

Фото: Паровые машины не смогли перевезти всю воду
они нужны для дальней дороги. Периодически им приходилось останавливаться для пополнения запасов.
резервуары для воды на стороне пути, подобные этому (вверху) на железной дороге Суониджа.
У более крупных паровозов были тендеры: грузовики, которые они тащили за собой, с запасами топлива.
уголь (перед нарисованной нами красной линией) и вода (за красной линией). Уголь лежит на наклонной
пластина внутри тендера, благодаря которой он естественным образом наклоняется к отверстию
спереди, где пожарный может легко закинуть его в топку.
Внизу: Вы можете увидеть, как выглядит тендер внутри, на этой необычной фотографии пустого тендера.
сфотографировано немного сверху и сзади, снято в Музее науки Think Tank в Бирмингеме, Англия. Этот тендер вмещает около 18000 литров (4000 британских галлонов) воды и принадлежит музейному локомотиву Бирмингема.

Пар действительно умер?

Уголь был дешевым и доступным топливом в начале индустриальной эпохи.
Революция, но изобретение бензинового двигателя
(бензиновый двигатель) в середине 19 века ознаменовали новую эру:
в течение 20-го века нефть обогнала уголь в качестве фаворита в мире
топливо. Паровые двигатели крайне неэффективны, расходуют впустую около 80–90 процентов энергии.
всей энергии, которую они производят из угля. Это означает, что они должны гореть
огромное количество угля для производства полезного количества энергии.

Паровая машина настолько неэффективна, потому что огонь, который сжигает уголь,
полностью отдельный (и часто на некотором расстоянии от) цилиндр, который вращается
тепловую энергию пара в механическую энергию, приводящую в действие
машина. Такая конструкция называется двигателем внешнего сгорания.
потому что огонь и котел находятся вне цилиндра. это неэффективно
потому что энергия тратится впустую, поскольку тепло и пар перемещаются от огня,
через котел в цилиндр. Бензиновые и дизельные двигатели основаны на совершенно другой конструкции, называемой
двигатель внутреннего сгорания. Бензин или дизельное топливо
горит внутри цилиндра, а не снаружи, и это делает
двигатели внутреннего сгорания значительно эффективнее.
(Подробнее о внутреннем и внешнем сгорании вы можете прочитать в нашем обзоре
двигателей.)
У нефти есть и много других преимуществ: она чище угля, производит меньше
загрязнение воздуха, и его гораздо легче транспортировать по трубам.

Во многом поэтому с наших железных дорог исчезли паровозы — тепловозы были
вообще удобнее. Требуется несколько часов, чтобы запустить паровой двигатель, прежде чем вы сможете его использовать; Вы можете
запустить дизельный двигатель менее чем за минуту. Паровые машины исчезли с заводов, когда электричество
стал более удобным способом питания зданий. Кому захочется каждый день загружать уголь на фабрику, когда можно просто
щелкнуть переключателями, чтобы все заработало?

Работа: Чем меньше, тем лучше: Великобритания перешла с паровых двигателей на дизельные и электрические в 19 веке.60-е годы. Последние паровозы были построены здесь в 1956 г. , а последний паровоз ходил в августе 1968 г. К 1968 г. в эксплуатации находилось лишь около трети локомотивов по сравнению с 1962 г., но перевозилось столько же грузов: дизель-электрическая рельсовая система, по-видимому,
намного эффективнее. Источник: составлено с использованием данных из «Работы британских железных дорог за 1962–1968 годы» CDJones, Journal of Transport Economics and Policy, Vol. 4, № 2 (май 1970 г.), стр. 162–170.

Но все не совсем так, как кажется. Пар и уголь никогда не делали
исчезнуть — не совсем так.
Откуда берется используемая нами электроэнергия?
Было бы здорово, если бы все это происходило из возобновляемых источников энергии.
(ветряки, солнечные батареи и т. д.), но
большая часть его по-прежнему поступает из угля,
сгорели на электростанциях в милях от
наши дома и фабрики.
Внутри угольной электростанции уголь по-прежнему сжигается для производства пара, который приводит в действие устройства, похожие на ветряные мельницы.
паровые турбины, которые намного эффективнее паровых двигателей. При вращении они поворачиваются
электромагнитные генераторы и производят электричество.
Вот видите, хотя паровозы и исчезли из нашего
железные дороги, паровая энергия
жив и здоров — и столь же важен, как и прежде!

На фото: некоторые из паровых двигателей, которые работают на старых линиях.
были еще относительно новыми, когда они были выведены из эксплуатации.
Вот этот,
Bulleid Pacific № 34070 «Мэнстон»,
был построен в 1947 г. и выведен менее чем через 20 лет (в 1964 г.).
После долгой реставрации компанией «Южные локомотивы» он вернулся в
обслуживание на железной дороге Суонидж в сентябре 2008 г.
Удивительно впечатляющее зрелище, он весит 128 тонн и может развивать скорость более 160 км/ч (100 миль в час).

Кто изобрел паровой двигатель… и когда?

Вот краткая история паровой энергии:

1 век н.э.: Герой Александрии
демонстрирует паровую вращающуюся сферу, называемую эолипилом.
16 век н.э.: итальянский архитектор Джованни.
Бранка
(1571–1640) использует струю пара для вращения лопастей небольшого колеса,
предвосхищая паровую турбину, разработанную сэром Чарльзом Парсонсом в 1884 году.
1680: голландский физик Христиан Гюйгенс
(1629–1693)
делает первый поршневой двигатель, используя простой цилиндр и поршень
питается от взрыва пороха. Помощник Гюйгенса Денис
Папен
(1648–1712) понимает, что пар — лучший способ приводить в движение цилиндр, и
поршень.
1698: Томас Савери (ок. 1650–1715)
разрабатывает
паровой водяной насос под названием «Друг шахтера». это просто
поршневая паровая машина (или лучевая машина) для откачки воды из
шахты.
1712: англичанин Томас Ньюкомен
(1663–1729) разрабатывает
гораздо лучшая конструкция парового двигателя с водяной помпой, чем у Савери.
и обычно приписывают изобретение паровой машины. А
шотландский инженер по имени Джеймс Уатт
(1736–1819) вычисляет
гораздо более эффективный способ получения энергии из пара после улучшения
Модель двигателя Ньюкомена. Улучшения Уатта Ньюкомена
двигателя привели к широкому распространению пара.
1770: офицер французской армии Николя-Жозеф.
Кюньо
(1725–1804) изобретает трехколесный трактор с паровым двигателем.
1797: английский горный инженер Ричард.
Тревитик
(1771–1833) разрабатывает паровую версию двигателя Уатта, работающую под высоким давлением.
прокладывая путь для паровозов.
1803: английский инженер Артур Вульф.
(1776–1837) составляет
паровой двигатель с более чем одним цилиндром.
1804: американский промышленник Оливер Эванс.
(1775–1819)
изобретает паровой пассажирский автомобиль. Как и Тревитик, он
признает важность пара высокого давления и строит более
50 паровых машин.
1807: американский инженер Роберт Фултон.
(1765–1815) работает
первое пароходное сообщение по реке Гудзон.
1819: Океанский корабль на паровой тяге «Саванна».
пересекает
Атлантика из Нью-Йорка в Ливерпуль всего за 27 дней.
1825: английский инженер Джордж Стефенсон.
(1781–1848) строит первую в мире паровую железную дорогу между
города Стоктон и Дарлингтон. Для начала паровозы тянут
только большегрузные угольщики, а пассажиров перевозят в конных экипажах.
18:30: Ливерпульско-Манчестерская железная дорога стала первой железной дорогой, использующей энергию пара.
для перевозки как пассажиров, так и грузов.
1882: плодовитый американский изобретатель Томас
Эдисон
(1847–1931) открывает первую в мире коммерческую электростанцию в Перл.
Улица, Нью-Йорк. Он использует высокоскоростные паровые двигатели для питания
генераторы электроэнергии.
1884: английский инженер сэр Чарльз Парсонс.
(1854–1931)
разрабатывает паровую турбину для своего быстроходного парохода Turbinia.

Фото: Подумайте о паровых двигателях, и вы, вероятно, думаете о паровозах, но корабли тоже были паровыми до того, как появились дизельные двигатели. Это прекрасно отреставрированный PS Waverley, последний колесный пароход в мире, построенный в 1947 году и прибывающий к пирсу Суонидж в сентябре 2009 года.

Подробнее

На этом сайте

Автомобильные двигатели (бензиновые двигатели)
Дизельные двигатели
Электродвигатели
Энергия
Реактивные двигатели
Двигатели Стирлинга

На других веб-сайтах

Паровозы: несколько удивительно запоминающихся теле- и радиоклипов BBC. [Архивировано с помощью Wayback Machine.]
Flickr: Steam Powered: группа Flickr для любителей паровых двигателей. В настоящее время более 32 000 фотографий от примерно 1000 участников.
Йорк, сверх ожиданий: прекрасное описание замечательного парового двигателя в разрезе в Национальном железнодорожном музее в Йорке, Англия.

Видеоролики

Эксплуатация паровоза: Это отличное «виртуальное» руководство по вождению паровоза с использованием компьютерной симуляции внутренней части кабины RailWorks.
Курсы вождения паровоза на Лавандовой линии: посмотрите видео о том, как кто-то управляет паровозом. Там нет комментариев, и трудно понять, что делает машинист, но вы понимаете, насколько «физически» управлять паровозом!

Книги

Как это работает (для читателей старшего возраста)

Как на самом деле работают паровозы PWB Semmens и AJ Goldfinch. Oxford University Press, 2004. Я не читал эту книгу полностью, но, судя по отрывкам, которые я видел, она выглядит неплохо. Довольно подробный (348 страниц) и с очень британским колоритом.
Паровые двигатели, объясненные Стэном Йорком. Countryside Books, 2009. Великолепная небольшая книга с фантастически четкими иллюстрациями различных типов паровых двигателей. Хорошая отправная точка для людей, которые не хотят вдаваться в инженерные подробности.

Как это работает (для младших читателей)

Как работают маленькие паровозики (Томас и друзья) Криса Окслейда. Random House, 2017. 48-страничное введение для поклонников Паровозика Томаса (возраст 5–7 лет). Обратите внимание, что в этой книге повторно используется содержание из Руководства Хейнса Паровозик Томас: 1945 г. и далее .

История (для читателей постарше)

Великая железнодорожная революция: История поездов в Америке Кристиана Вольмара. Hachette, 2012. Как трансконтинентальные железные дороги сыграли ключевую роль в формировании Соединенных Штатов.
Огонь и пар Кристиана Вольмара. Atlantic Books, 2008. Превосходная книга об истории железных дорог в Великобритании. Вольмар — страстный и знающий транспортный журналист из Великобритании, и он идеально подходит для написания такой книги.
Кровь, железо и золото: как железные дороги изменили мир Кристиана Вольмара. PublicAffairs, 2010. Продолжение Fire and Steam, исследует распространение железных дорог в других странах.
Герцогини, Aurum, 2015;
Летучий шотландец, Aurum, 2011;
и Great Western Railway, Aurum, 2011, все Эндрю Роден. Три книги, написанные с чуть большей страстью и темпом, чем у Кристиана Вольмара; Я получил огромное удовольствие от всех трех.
Пар Джон К. Мерриам в Восьмидесятилетний прогресс Соединенных Штатов , 1867 год. Увлекательная история паровой энергетики XIX века, написанная с американской точки зрения.

История (для младших читателей)

Паровые двигатели: великие изобретения Джеймса Линкольна Кольера. Marshall Cavendish/Benchmark Books, 2005. Краткая история паровых двигателей для юных читателей.
Джеймс Уатт и паровой двигатель Джима Уайтинга. Митчелл Лейн, 2006. Биография Ватта для читателей в возрасте около 9 лет.–12.

Статьи

Великолепная кряква: самый быстрый в мире паровоз: BBC News, 3 июля 2013 г. Ностальгическое путешествие в прошлое с непревзойденным паровым двигателем сэра Найджела Гресли.
Фотографии паровоза О. Уинстона Линка, сделанные Мэттом Макканном. The New York Times, 16 ноября 2012 г. Исследование работы известного фотографа, который задокументировал последние годы американского пара.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Подпишитесь на нас

Оценить эту страницу

Пожалуйста, оцените или оставьте отзыв на этой странице, и я сделаю пожертвование WaterAid.

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней друзьям:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2007/2022) Паровые двигатели. Получено с https://www.explainthatstuff.com/steamengines.html. [Доступ (вставьте дату здесь)]

Подробнее на нашем веб-сайте…

Связь
Компьютеры
Электричество и электроника
Энергия
Машиностроение
Окружающая среда

Гаджеты
Домашняя жизнь
Материалы
Наука
Инструменты и инструменты
Транспорт

↑ Вернуться к началу

Как работают паровые машины?

Как работают паровые двигатели? | Кто изобрел паровые двигатели?

Вы здесь:
Домашняя страница >
Инжиниринг >
Паровые машины

Дом
индекс А-Я
Случайная статья
Хронология
Учебное пособие
О нас
Конфиденциальность и файлы cookie

org/Person»> Криса Вудфорда. Последнее обновление: 15 января 2022 г.

Содержание

Что приводит в действие паровой двигатель?
Что такое паровая машина?
Как работает паровой двигатель
Типы паровых машин
Пар действительно умер?
Кто изобрел паровую машину… и когда?
Узнать больше

Что приводит в действие паровой двигатель?

Фото: Основные части паровоза.
(Альтернативный вид сбоку смотрите здесь.) Это бывший цистерна-локомотив British Railways Standard 4MT под номером 80104 (построен в Брайтоне в 1955 году).
работает на железной дороге Суонидж, Англия, август 2008 года.
Почитайте, как его восстановили из ржавеющей кучи и вернули в строй
его владельцы, «Южные локомотивы», в
80104 Реставрация.

Что такое паровая машина?

Как работает паровой двигатель

Грубо говоря, паровая машина состоит из четырех частей:

Огонь, в котором горит уголь.
Котел, наполненный водой, которую огонь нагревает до пара.
Цилиндр и поршень, похожие на велосипедный насос, но намного
больше. Пар из котла подается в цилиндр, вызывая
поршень двигался сначала в одну сторону, потом в другую. Это движение вперед и назад
(который также известен как «поршневой») используется для привода…
Машина, прикрепленная к поршню. Это может быть что угодно от
водяной насос к заводскому станку… или даже к гигантскому паровозу
бегать вверх и вниз по железной дороге.

Пошагово

Рекламные ссылки

Типы паровой машины

Фото: Крупный план поршня и цилиндра паровой машины.

Фото: Клапанный механизм Walschaerts на типичном большом паровозе,
34028 Эддистоун.

Пар действительно умер?

Кто изобрел паровой двигатель… и когда?

Вот краткая история паровой энергии:

1 век н.э.: Герой Александрии
демонстрирует паровую вращающуюся сферу, называемую эолипилом.
16 век н.э.: итальянский архитектор Джованни.
Бранка
(1571–1640) использует струю пара для вращения лопастей небольшого колеса,
предвосхищая паровую турбину, разработанную сэром Чарльзом Парсонсом в 1884 году.
1680: голландский физик Христиан Гюйгенс
(1629–1693)
делает первый поршневой двигатель, используя простой цилиндр и поршень
питается от взрыва пороха. Помощник Гюйгенса Денис
Папен
(1648–1712) понимает, что пар — лучший способ приводить в движение цилиндр, и
поршень.
1698: Томас Савери (ок. 1650–1715)
разрабатывает
паровой водяной насос под названием «Друг шахтера». это просто
поршневая паровая машина (или лучевая машина) для откачки воды из
шахты.
1712: англичанин Томас Ньюкомен
(1663–1729) разрабатывает
гораздо лучшая конструкция парового двигателя с водяной помпой, чем у Савери.
и обычно приписывают изобретение паровой машины. А
шотландский инженер по имени Джеймс Уатт
(1736–1819) вычисляет
гораздо более эффективный способ получения энергии из пара после улучшения
Модель двигателя Ньюкомена. Улучшения Уатта Ньюкомена
двигателя привели к широкому распространению пара.
1770: офицер французской армии Николя-Жозеф.
Кюньо
(1725–1804) изобретает трехколесный трактор с паровым двигателем.
1797: английский горный инженер Ричард.
Тревитик
(1771–1833) разрабатывает паровую версию двигателя Уатта, работающую под высоким давлением.
прокладывая путь для паровозов.
1803: английский инженер Артур Вульф.
(1776–1837) составляет
паровой двигатель с более чем одним цилиндром.
1804: американский промышленник Оливер Эванс.
(1775–1819)
изобретает паровой пассажирский автомобиль. Как и Тревитик, он
признает важность пара высокого давления и строит более
50 паровых машин.
1807: американский инженер Роберт Фултон.
(1765–1815) работает
первое пароходное сообщение по реке Гудзон.
1819: Океанский корабль на паровой тяге «Саванна».
пересекает
Атлантика из Нью-Йорка в Ливерпуль всего за 27 дней.
1825: английский инженер Джордж Стефенсон.
(1781–1848) строит первую в мире паровую железную дорогу между
города Стоктон и Дарлингтон. Для начала паровозы тянут
только большегрузные угольщики, а пассажиров перевозят в конных экипажах.
18:30: Ливерпульско-Манчестерская железная дорога стала первой железной дорогой, использующей энергию пара.
для перевозки как пассажиров, так и грузов.
1882: плодовитый американский изобретатель Томас
Эдисон
(1847–1931) открывает первую в мире коммерческую электростанцию в Перл.
Улица, Нью-Йорк. Он использует высокоскоростные паровые двигатели для питания
генераторы электроэнергии.
1884: английский инженер сэр Чарльз Парсонс.
(1854–1931)
разрабатывает паровую турбину для своего быстроходного парохода Turbinia.

Подробнее

На этом сайте

Автомобильные двигатели (бензиновые двигатели)
Дизельные двигатели
Электродвигатели
Энергия
Реактивные двигатели
Двигатели Стирлинга

На других веб-сайтах

Паровозы: несколько удивительно запоминающихся теле- и радиоклипов BBC. [Архивировано с помощью Wayback Machine.]
Flickr: Steam Powered: группа Flickr для любителей паровых двигателей. В настоящее время более 32 000 фотографий от примерно 1000 участников.
Йорк, сверх ожиданий: прекрасное описание замечательного парового двигателя в разрезе в Национальном железнодорожном музее в Йорке, Англия.

Видеоролики

Эксплуатация паровоза: Это отличное «виртуальное» руководство по вождению паровоза с использованием компьютерной симуляции внутренней части кабины RailWorks.
Курсы вождения паровоза на Лавандовой линии: посмотрите видео о том, как кто-то управляет паровозом. Там нет комментариев, и трудно понять, что делает машинист, но вы понимаете, насколько «физически» управлять паровозом!

Книги

Как это работает (для читателей старшего возраста)

Как на самом деле работают паровозы PWB Semmens и AJ Goldfinch. Oxford University Press, 2004. Я не читал эту книгу полностью, но, судя по отрывкам, которые я видел, она выглядит неплохо. Довольно подробный (348 страниц) и с очень британским колоритом.
Паровые двигатели, объясненные Стэном Йорком. Countryside Books, 2009. Великолепная небольшая книга с фантастически четкими иллюстрациями различных типов паровых двигателей. Хорошая отправная точка для людей, которые не хотят вдаваться в инженерные подробности.

Как это работает (для младших читателей)

Как работают маленькие паровозики (Томас и друзья) Криса Окслейда. Random House, 2017. 48-страничное введение для поклонников Паровозика Томаса (возраст 5–7 лет). Обратите внимание, что в этой книге повторно используется содержание из Руководства Хейнса Паровозик Томас: 1945 г. и далее .

История (для читателей постарше)

Великая железнодорожная революция: История поездов в Америке Кристиана Вольмара. Hachette, 2012. Как трансконтинентальные железные дороги сыграли ключевую роль в формировании Соединенных Штатов.
Огонь и пар Кристиана Вольмара. Atlantic Books, 2008. Превосходная книга об истории железных дорог в Великобритании. Вольмар — страстный и знающий транспортный журналист из Великобритании, и он идеально подходит для написания такой книги.
Кровь, железо и золото: как железные дороги изменили мир Кристиана Вольмара. PublicAffairs, 2010. Продолжение Fire and Steam, исследует распространение железных дорог в других странах.
Герцогини, Aurum, 2015;
Летучий шотландец, Aurum, 2011;
и Great Western Railway, Aurum, 2011, все Эндрю Роден. Три книги, написанные с чуть большей страстью и темпом, чем у Кристиана Вольмара; Я получил огромное удовольствие от всех трех.
Пар Джон К. Мерриам в Восьмидесятилетний прогресс Соединенных Штатов , 1867 год. Увлекательная история паровой энергетики XIX века, написанная с американской точки зрения.

История (для младших читателей)

Паровые двигатели: великие изобретения Джеймса Линкольна Кольера. Marshall Cavendish/Benchmark Books, 2005. Краткая история паровых двигателей для юных читателей.
Джеймс Уатт и паровой двигатель Джима Уайтинга. Митчелл Лейн, 2006. Биография Ватта для читателей в возрасте около 9 лет.–12.

Статьи

Великолепная кряква: самый быстрый в мире паровоз: BBC News, 3 июля 2013 г. Ностальгическое путешествие в прошлое с непревзойденным паровым двигателем сэра Найджела Гресли.
Фотографии паровоза О. Уинстона Линка, сделанные Мэттом Макканном. The New York Times, 16 ноября 2012 г. Исследование работы известного фотографа, который задокументировал последние годы американского пара.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты

Подпишитесь на нас

Оценить эту страницу

Пожалуйста, оцените или оставьте отзыв на этой странице, и я сделаю пожертвование WaterAid.

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней друзьям:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2007/2022) Паровые двигатели. Получено с https://www.explainthatstuff.com/steamengines.html. [Доступ (вставьте дату здесь)]

Подробнее на нашем веб-сайте…

Связь
Компьютеры
Электричество и электроника
Энергия
Машиностроение
Окружающая среда

Гаджеты
Домашняя жизнь
Материалы
Наука
Инструменты и инструменты
Транспорт

↑ Вернуться к началу

Как работают паровые машины?

Как работают паровые двигатели? | Кто изобрел паровые двигатели?

Вы здесь:
Домашняя страница >
Инжиниринг >
Паровые машины

Дом
индекс А-Я
Случайная статья
Хронология
Учебное пособие
О нас
Конфиденциальность и файлы cookie

org/Person»> Криса Вудфорда. Последнее обновление: 15 января 2022 г.

Содержание

Что приводит в действие паровой двигатель?
Что такое паровая машина?
Как работает паровой двигатель
Типы паровых машин
Пар действительно умер?
Кто изобрел паровую машину… и когда?
Узнать больше

Что приводит в действие паровой двигатель?

Фото: Основные части паровоза.
(Альтернативный вид сбоку смотрите здесь.) Это бывший цистерна-локомотив British Railways Standard 4MT под номером 80104 (построен в Брайтоне в 1955 году).
работает на железной дороге Суонидж, Англия, август 2008 года.
Почитайте, как его восстановили из ржавеющей кучи и вернули в строй
его владельцы, «Южные локомотивы», в
80104 Реставрация.

Что такое паровая машина?

Как работает паровой двигатель

Грубо говоря, паровая машина состоит из четырех частей:

Огонь, в котором горит уголь.
Котел, наполненный водой, которую огонь нагревает до пара.
Цилиндр и поршень, похожие на велосипедный насос, но намного
больше. Пар из котла подается в цилиндр, вызывая
поршень двигался сначала в одну сторону, потом в другую. Это движение вперед и назад
(который также известен как «поршневой») используется для привода…
Машина, прикрепленная к поршню. Это может быть что угодно от
водяной насос к заводскому станку… или даже к гигантскому паровозу
бегать вверх и вниз по железной дороге.

Пошагово

Рекламные ссылки

Типы паровой машины

Фото: Крупный план поршня и цилиндра паровой машины.

Фото: Клапанный механизм Walschaerts на типичном большом паровозе,
34028 Эддистоун.

Пар действительно умер?

Кто изобрел паровой двигатель… и когда?

Вот краткая история паровой энергии:

1 век н.э.: Герой Александрии
демонстрирует паровую вращающуюся сферу, называемую эолипилом.
16 век н.э.: итальянский архитектор Джованни.
Бранка
(1571–1640) использует струю пара для вращения лопастей небольшого колеса,
предвосхищая паровую турбину, разработанную сэром Чарльзом Парсонсом в 1884 году.
1680: голландский физик Христиан Гюйгенс
(1629–1693)
делает первый поршневой двигатель, используя простой цилиндр и поршень
питается от взрыва пороха. Помощник Гюйгенса Денис
Папен
(1648–1712) понимает, что пар — лучший способ приводить в движение цилиндр, и
поршень.
1698: Томас Савери (ок. 1650–1715)
разрабатывает
паровой водяной насос под названием «Друг шахтера». это просто
поршневая паровая машина (или лучевая машина) для откачки воды из
шахты.
1712: англичанин Томас Ньюкомен
(1663–1729) разрабатывает
гораздо лучшая конструкция парового двигателя с водяной помпой, чем у Савери.
и обычно приписывают изобретение паровой машины. А
шотландский инженер по имени Джеймс Уатт
(1736–1819) вычисляет
гораздо более эффективный способ получения энергии из пара после улучшения
Модель двигателя Ньюкомена. Улучшения Уатта Ньюкомена
двигателя привели к широкому распространению пара.
1770: офицер французской армии Николя-Жозеф.
Кюньо
(1725–1804) изобретает трехколесный трактор с паровым двигателем.
1797: английский горный инженер Ричард.
Тревитик
(1771–1833) разрабатывает паровую версию двигателя Уатта, работающую под высоким давлением.
прокладывая путь для паровозов.
1803: английский инженер Артур Вульф.
(1776–1837) составляет
паровой двигатель с более чем одним цилиндром.
1804: американский промышленник Оливер Эванс.
(1775–1819)
изобретает паровой пассажирский автомобиль. Как и Тревитик, он
признает важность пара высокого давления и строит более
50 паровых машин.
1807: американский инженер Роберт Фултон.
(1765–1815) работает
первое пароходное сообщение по реке Гудзон.
1819: Океанский корабль на паровой тяге «Саванна».
пересекает
Атлантика из Нью-Йорка в Ливерпуль всего за 27 дней.
1825: английский инженер Джордж Стефенсон.
(1781–1848) строит первую в мире паровую железную дорогу между
города Стоктон и Дарлингтон. Для начала паровозы тянут
только большегрузные угольщики, а пассажиров перевозят в конных экипажах.
18:30: Ливерпульско-Манчестерская железная дорога стала первой железной дорогой, использующей энергию пара.
для перевозки как пассажиров, так и грузов.
1882: плодовитый американский изобретатель Томас
Эдисон
(1847–1931) открывает первую в мире коммерческую электростанцию в Перл.
Улица, Нью-Йорк. Он использует высокоскоростные паровые двигатели для питания
генераторы электроэнергии.
1884: английский инженер сэр Чарльз Парсонс.
(1854–1931)
разрабатывает паровую турбину для своего быстроходного парохода Turbinia.

Подробнее

На этом сайте

Автомобильные двигатели (бензиновые двигатели)
Дизельные двигатели
Электродвигатели
Энергия
Реактивные двигатели
Двигатели Стирлинга

На других веб-сайтах

Паровозы: несколько удивительно запоминающихся теле- и радиоклипов BBC. [Архивировано с помощью Wayback Machine.]
Flickr: Steam Powered: группа Flickr для любителей паровых двигателей. В настоящее время более 32 000 фотографий от примерно 1000 участников.
Йорк, сверх ожиданий: прекрасное описание замечательного парового двигателя в разрезе в Национальном железнодорожном музее в Йорке, Англия.

Видеоролики

Эксплуатация паровоза: Это отличное «виртуальное» руководство по вождению паровоза с использованием компьютерной симуляции внутренней части кабины RailWorks.
Курсы вождения паровоза на Лавандовой линии: посмотрите видео о том, как кто-то управляет паровозом. Там нет комментариев, и трудно понять, что делает машинист, но вы понимаете, насколько «физически» управлять паровозом!

Книги

Как это работает (для читателей старшего возраста)

Как на самом деле работают паровозы PWB Semmens и AJ Goldfinch. Oxford University Press, 2004. Я не читал эту книгу полностью, но, судя по отрывкам, которые я видел, она выглядит неплохо. Довольно подробный (348 страниц) и с очень британским колоритом.
Паровые двигатели, объясненные Стэном Йорком. Countryside Books, 2009. Великолепная небольшая книга с фантастически четкими иллюстрациями различных типов паровых двигателей. Хорошая отправная точка для людей, которые не хотят вдаваться в инженерные подробности.

Как это работает (для младших читателей)

Как работают маленькие паровозики (Томас и друзья) Криса Окслейда. Random House, 2017. 48-страничное введение для поклонников Паровозика Томаса (возраст 5–7 лет). Обратите внимание, что в этой книге повторно используется содержание из Руководства Хейнса Паровозик Томас: 1945 г. и далее .

История (для читателей постарше)

Великая железнодорожная революция: История поездов в Америке Кристиана Вольмара. Hachette, 2012. Как трансконтинентальные железные дороги сыграли ключевую роль в формировании Соединенных Штатов.
Огонь и пар Кристиана Вольмара. Atlantic Books, 2008. Превосходная книга об истории железных дорог в Великобритании. Вольмар — страстный и знающий транспортный журналист из Великобритании, и он идеально подходит для написания такой книги.
Кровь, железо и золото: как железные дороги изменили мир Кристиана Вольмара. PublicAffairs, 2010. Продолжение Fire and Steam, исследует распространение железных дорог в других странах.
Герцогини, Aurum, 2015;
Летучий шотландец, Aurum, 2011;
и Great Western Railway, Aurum, 2011, все Эндрю Роден. Три книги, написанные с чуть большей страстью и темпом, чем у Кристиана Вольмара; Я получил огромное удовольствие от всех трех.
Пар Джон К. Мерриам в Восьмидесятилетний прогресс Соединенных Штатов , 1867 год. Увлекательная история паровой энергетики XIX века, написанная с американской точки зрения.

История (для младших читателей)

Паровые двигатели: великие изобретения Джеймса Линкольна Кольера. Marshall Cavendish/Benchmark Books, 2005. Краткая история паровых двигателей для юных читателей.
Джеймс Уатт и паровой двигатель Джима Уайтинга. Митчелл Лейн, 2006. Биография Ватта для читателей в возрасте около 9 лет.–12.

Статьи

Великолепная кряква: самый быстрый в мире паровоз: BBC News, 3 июля 2013 г. Ностальгическое путешествие в прошлое с непревзойденным паровым двигателем сэра Найджела Гресли.
Фотографии паровоза О. Уинстона Линка, сделанные Мэттом Макканном. The New York Times, 16 ноября 2012 г. Исследование работы известного фотографа, который задокументировал последние годы американского пара.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты

Подпишитесь на нас

Оценить эту страницу

Пожалуйста, оцените или оставьте отзыв на этой странице, и я сделаю пожертвование WaterAid.

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней друзьям:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2007/2022) Паровые двигатели. Получено с https://www.explainthatstuff.com/steamengines.html. [Доступ (вставьте дату здесь)]

Подробнее на нашем веб-сайте…

Связь
Компьютеры
Электричество и электроника
Энергия
Машиностроение
Окружающая среда

Гаджеты
Домашняя жизнь
Материалы
Наука
Инструменты и инструменты
Транспорт

↑ Вернуться к началу

Как работает паровой двигатель локомотива

Мухаммад Фадхли Мустаффа и Ахмад Лутфи Мохайддин

В этом разделе мы рассмотрим принципы работы парового двигателя, используемого в локомотивах. В основном твердое топливо, такое как уголь, сжигается для нагрева воды. Когда становится достаточно жарко, вода конденсируется в пар. Давление пара толкает поршни, которые, следовательно, приводят в движение шестерни и колеса, тем самым приводя в движение локомотив.

Поток пара и газов

Твердое топливо сжигается на колоснике внутри топки. Первичный воздух поступает под колосниковую решетку и направляется к топке, а вторичный воздух поступает через дверцу топки. Свод из огнеупорного кирпича удлиняет путь горячих газов от сжигания топлива, чтобы обеспечить полное сгорание. Затем горячие газы проходят через длинные трубы в котле в дымовую камеру и выходят из локомотива через дымоход.

Тепло от топки нагревает воду в котле. Вода также нагревается за счет тепла горячих газов, проходящих по длинным трубкам. Когда вода нагревается, она превращается в насыщенный пар, который собирается над водой. Клапан-регулятор, контролирующий подачу пара в цилиндры, расположен в куполе. В верхней части котла также есть предохранительные клапаны для выпуска пара, если давление поднимается до опасного уровня.

Насыщенный пар поступает по главному паропроводу в коллектор пароперегревателя. Затем он проходит по трубам пароперегревателя в котле, где нагревается. Выйдя из этих труб через коллектор пароперегревателя, он станет перегретым паром. Затем чрезвычайно горячий пар поступает по паровым трубам в цилиндры, где его давление приводит в движение поршни, приводящие в движение колеса локомотива.

В дымовой камере отработавший пар проходит через пламенную трубу в дымоход с высокой скоростью из-за закрытого вентиляционного отверстия дутьевой трубы. Это создает частичный вакуум в дымовой камере, который обеспечивает подачу воздуха в топку и обеспечивает вывод горячих газов из топки через трубы в котле.

Работа клапана и поршня

В паровой машине движение клапана обеспечивает поступление пара в цилиндр и выпуск его из него в нужный момент. Для типичного цилиндра с двумя портами функция клапана состоит в том, чтобы впускать перегретый пар на одном конце, позволяя отработанному или отработавшему пару выходить на другом. В результате последовательного закрытия и открытия этих отверстий поршень толкается вперед и назад паром высокого давления из котла. Для регулирования движения клапана используется механическая система привода клапана, которая более подробно обсуждается в следующих подразделах.

Чтобы знать, как клапан влияет на скорость локомотива, мы должны понимать несколько терминов, которые распространены среди машинистов и энтузиастов паровозов. Перекрытие относится к количеству перекрытия между клапаном и портом. В медленно движущихся локомотивах длинный круг на выпускном отверстии дает время, чтобы пар, попавший в цилиндр, полностью расширился, чтобы толкнуть поршень. С другой стороны, на высокоскоростных локомотивах выпускное отверстие открывается рано (короткий круг), когда клапан находится в среднем положении, что позволяет пару выходить быстрее. Кроме того, более высокоскоростные локомотивы также имеют большое опережение, что означает, что впускное отверстие уже открыто, когда поршень находится в конце своего движения, поэтому существует достаточное давление пара, которое немедленно оттолкнет поршень назад, чтобы начать его следующее движение.

Отсечка обозначает положение поршня в момент, когда клапан закрывает впускное отверстие. Когда двигатель работает тяжело и медленно, длительная отсечка пропускает пар на большую часть хода поршня. На быстроходных локомотивах это вызовет противодавление в котле. Чтобы избежать ненужного противодавления, отсечка уменьшена, так что пар поступает только на 20% хода поршня, а оставшаяся часть хода происходит за счет расширения пара высокого давления.

Индикаторная диаграмма, подобная приведенной выше, использовалась инженерами-парововозами в эпоху пара для оценки эффективности локомотива в преобразовании энергии пара в полезную мощность при различных скоростях и режимах отсечки. Горизонтальная линия ОА показывает давление при входе пара в цилиндр. При отсечке давление падает по мере того, как пар расширяется и толкает поршень. После открытия выпускного отверстия линия меняет направление (CD), указывая на начало обратного хода поршня. Он показывает низкое давление по мере выпуска пара. В линии DE в конце обратного хода регистрируется повышение давления из-за сжатия оставшегося пара после закрытия выпускного отверстия. Когда в цилиндр поступает свежий пар, давление снова поднимается до точки О, и цикл повторяется.

Система Walschaert

Клапанный механизм локомотива позволяет машинисту выбирать отключение подачи пара и реверсировать локомотивы. Одной из наиболее распространенных систем клапанного механизма, используемых на локомотивах, построенных в Великобритании, является система Вальшарта, которая была впервые запатентована в 1844 году бельгийским инженером Эгидом Вальшартом. Впервые он появился на британской железной дороге в 1878 году. Он не пользовался популярностью в Великобритании до двадцатого века, но теперь он считается лучшей конструкцией клапанного механизма из-за простоты обслуживания.

В этой системе движение штока клапана вперед-назад зависит от комбинированного движения комбинированного рычага и расширительного звена. Движение комбинированного рычага осуществляется крейцкопфом на конце штока поршня. Он соединен с расширительным звеном радиусным стержнем. Движение звена расширения получается от его соединения с эксцентричной дорогой. Другой конец эксцентриковой дороги, прикрепленный к оси кривошипа, вызывал маятниковое движение расширительного звена.

Регулируя положение радиусного стержня в расширительном звене, мы можем регулировать длину хода шпинделя клапана. Это можно сделать, подняв или опустив реверсивную тягу из кабины. Для достижения максимального хода клапана (наибольшая отсечка и максимальный вход пара) радиусный стержень располагается дальше всего от центра расширительного звена. С другой стороны, перемещение радиусного стержня вверх и вниз от одной половины расширительного звена меняет направление движения локомотива.

Нравится:

Нравится Загрузка…

Как работает паровоз

Пар — это струйка, выделяющаяся из вашего утреннего кофе. Это вещество, которое вспенивает ваш капучино. Это то, что заставляет свистеть чайник. И он может двигать 100-тонную машину со скоростью более 120 миль в час.

Как это происходит? Как струйка пара от вашего кофе превращается во что-то достаточно мощное, чтобы сделать возможной индустриальную эпоху?

До появления паровозов у нас была паровая машина. Какая разница? Паровой двигатель может быть стационарным и питать все виды машин. Паровоз использует паровой двигатель на колесах, чтобы привести себя в движение.

Паровые двигатели умножили работу, которую мог выполнить один человек за день. Или сделал возможным ранее невозможное. Паровой двигатель сделал водяное колесо устаревшим и позволил перемалывать больше зерна. Одной из первых целей, для которой использовались паровые двигатели, было перекачивать воду, доставлять воду в выжженные водой населенные пункты или поддерживать сухими глубокие шахты.

Стационарные паровые машины становились все больше и больше, как и паровозы. Здесь, на SteamGiants.com, мы видим локомотивы как эти паровые гиганты, однако в Музее паровых гигантов Бреде в Сассексе, Англия, Великобритания, гиганты представляют собой стационарные паровые насосы. О сохранившихся в музее трехэтажных паровых машинах можно прочитать здесь.

Как работают паровые двигатели и локомотивы?

Как наш большой чайник превращает пар в энергию, движение и силу. Эта анимация объясняет основную концепцию парового двигателя.

Анимация парового двигателя

Как показано в нашей анимации, паровые двигатели работают путем преобразования потенциальной энергии, хранящейся в топливе, в нашем примере в угле, в кинетическую энергию. Думайте об этом как о сложном чайнике, состоящем из четырех частей:

Топка, полная топлива, температура которого достигает 1000 градусов по Фаренгейту.
Бойлер, полный воды, которую тепло нашей топки превращает в пар.
Система труб, клапанов и регуляторов, которая создает пар под давлением и подает его к поршню.
Цилиндры и поршни, на которые давит наш пар под давлением, создавая физическое движение – кинетическую энергию. Это возвратно-поступательное движение создает силу, необходимую для привода любого оборудования.

Теперь представьте, что паровой двигатель в нашей анимации перевернулся, чтобы стать горизонтальным, и добавьте колеса. Мы идем к паровозу! Поток пара под давлением заставляет внутреннюю механику локомотива вращаться. Непрерывное преобразование энергии движет поезд вперед. Однако потребовалось некоторое время, чтобы перейти от простого парового двигателя к первому успешному паровозу.

Общеизвестно, что первая известная паровая машина была построена в первом веке в Александрии, Египет. В начале 16 века итальянский инженер Джованни Бранка использовал пар для вращения лопастей колеса, предвещая изобретение паровой турбины.

Слева — Спасательный двигатель. Справа двигатель Ньюкомена.

В 1698 году Томас Савери изобрел «друга шахтера» — водяной насос, приводимый в действие поршневой паровой машиной. Четырнадцать лет спустя Томас Ньюкомен создал более совершенную конструкцию, которая привела к созданию более мощного водяного насоса с паровым приводом. За свое изобретение Ньюкомена часто называют отцом парового двигателя, однако его первоначальная конструкция позже будет улучшена. Шотландский инженер Джеймс Уатт, в частности, внес важные инновации, такие как отдельные камеры для нагретого и охлаждающего пара, что привело к повышению эффективности двигателя.

Усовершенствования следующего века позволили паровому двигателю приводить в движение лодки, корабли и тракторы, но локомотиву, который мог бы тянуть грузы, придется подождать. Многие изобретатели работали над этой проблемой, но Джорджу Стефенсону приписывают первый успешный паровоз. В 1825 году Стоктон-энд-Дарлингтонская железная дорога использовала локомотив Стефенсона, чтобы доставлять уголь из внутренних шахт на побережье для отправки.

Когда промышленники поняли, как быстро паровозы могут перевозить товары по английской сельской местности, они приступили к усовершенствованию и усилению паровоза. Всего за несколько десятилетий железные дороги покрыли всю Англию, а паровозы становились все больше и быстрее.

Но мы забегаем вперед. Как Джорджу Стефенсону и более поздним инженерам удалось опрокинуть этот паровой двигатель и дать ему достаточно энергии, чтобы двигаться и тянуть поезд из автомобилей? Пар может показаться не таким уж большим, но если на него надавить, он может сделать многое — даже сдвинуть с места массивный поезд. В этой анимации обратите внимание, насколько технология похожа на стационарный паровой двигатель выше. Разница заключается в улучшении того, как мы используем это давление пара. Давайте посмотрим, как работает паровоз.

Анимация паровоза

Все работает вместе для создания движения

Все движущиеся части паровоза отвечают за преобразование потенциальной энергии, хранящейся в топливе (в нашем примере это уголь), в кинетическую энергию вращения – вращение колеса. Чтобы привести пар в движение, требуется много частей, но мы сделаем все возможное, чтобы разобрать каждую из движущихся частей и объяснить их роль в работе паровоза.

Топка. Топка представляет собой ящик из тяжелого металла, предназначенный для хранения углей, горящих при температуре до 1000 градусов по Фаренгейту. Топка находится под котлом и высвобождает потенциальную энергию, хранящуюся в углях, в виде тепла.
Бойлер. Бойлер, по сути, представляет собой просто гигантский водяной чайник. Хотя он намного больше, он хранит воду и нагревается, когда под ним горит топка. Котлы разделены небольшими трубками, по которым тепло и дым поднимаются к дымоходу, и по мере того, как тепло поднимается вверх, оно быстро кипятит хранящуюся внутри воду. Котел, в свою очередь, питается от баков с водой, установленных сбоку от поезда или от отдельного тендера.
Цилиндры. Когда вода в котле превращается в пар, давление в здании направляет пар в ряд цилиндров перед колесами и давит на ряд поршней.
Поршни. Поршни представляют собой металлические части, совершающие возвратно-поступательные движения в цилиндре. Поскольку небольшой впускной клапан пропускает пар в цилиндр, он перемещает поршень вверх и вниз, создавая кинетическую энергию.
Коленчатый вал и шатун – Когда поршни начинают двигаться, они толкают коленчатый вал, который преобразует их возвратно-поступательное движение в кинетическую энергию вращения. Коленчатый вал соединяется с соединительной дорогой, которая затем передает энергию вращения на колеса. Смотри ниже.

Поршень, шатуны, рычаги Анимация

Клапанный механизм Walschaerts. См. КЛЮЧ ниже. (Анимация Panther. CC BY-SA 3.0)

На приведенной выше анимации элемент 2 представляет собой кривошип за пределами главной шатунной шейки. Это обеспечивает основное усилие для перемещения клапана. поз. 1 подключен к толкателю поз. 8 , управляемому инженером. При нажатии на тягу управления рычажный механизм 3 перемещается вверх и вниз. Если звено ниже центра, двигатель движется назад. Если звено близко к центру, пар сохраняется для обычной работы. Поз. 4 направляет шток поршня. Поз. 5 это шарнир, в котором основной шатун соединяется с крейцкопфом и принимает движение, передаваемое от поршня. Позиции 6 и 7 — это цилиндр (7) и блок клапанов (6) . Розовый – это пар из котла. Выхлоп белый.

Сборка всех деталей

Когда вы впервые посмотрите на паровоз, вы сразу заметите стержни, прикрепленные к колесам. Когда поезд движется вперед, стержни вращаются вместе с колесами. Дети даже имитируют это движение, сгибая руки и вращая ими по кругу. Именно эти стержни приводят в движение локомотив.

Соединительные стержни соединяют ведущее колесо со всеми остальными колесами поезда. Стандартные паровозы имеют только два цилиндра — по одному с каждой стороны двигателя. Это означает, что только одно колесо получает энергию непосредственно от коленчатого вала. Соединительные стержни должны передавать энергию от ведущего колеса через другие колеса с каждой стороны поезда.

Массивная муфта или боковые стержни паровоза Union Pacific Big Boy.

Соединительные стержни помогают сделать паровые двигатели более эффективными, поэтому двигателю не требуется несколько поршней. Машинисту паровоза поручено эффективно управлять двигателем. Эффективная эксплуатация паровоза не только экономически эффективна, поскольку при этом используется меньше топлива, но и гарантирует, что у локомотива не закончится вода или топливо до того, как он достигнет следующей заправки водой и топливом.

В то время как ранние паровозы были неэффективны и требовали огромного количества угля и воды для перемещения чего-либо, более поздние конструкции могли выдерживать более высокое давление пара и перемещать большие грузы, не сжигая столько угля. Это позволило локомотивам стать больше и мощнее.

В основном все паровозы работают по одному принципу – топливо нагревает воду, вода становится паром, пар приводит в движение поршень, который вращает коленчатый вал. Однако в более эффективном локомотиве поршень не возвращается на место коленчатым валом. Вместо этого пар возвращает поршень на место благодаря серии скользящих рычагов и клапанному механизму, который регулирует открытие и закрытие цилиндра.

Используя пар, чтобы вернуть поршень на место, паровозные двигатели могут работать намного эффективнее и с большей мощностью. Кроме того, поезда могут двигаться задним ходом. Но это была не последняя итерация паровой машины. Клапанный механизм претерпел ряд дальнейших усовершенствований, прежде чем многие железные дороги и производители остановились на одной из наиболее распространенных конструкций, Walschaerts (см. Анимацию выше), названной в честь ее изобретателя Эгиде Вальшертс.

Куда делись все наши паровозы?

Первые паровозы использовали в качестве топлива древесину. Это быстро перешло на уголь, который был и дешев, и в изобилии. Уголь, а иногда и мазут, сжигаемый в топке, оставался лучшим способом получения пара на протяжении века. В середине этого века изобретатели начали работать с нефтью и перерабатывать ее в дизельное топливо, а затем в бензин.

Чикаго и Северо-Западная развязка. К этому времени, 1942 году, дизели только начали преобладать. Фото: Джек Делано

Точно так же, как паровой двигатель нужно было улучшать в течение многих лет, чтобы сделать его коммерчески жизнеспособным, так же, как и новый двигатель внутреннего сгорания. двигатели внутреннего сгорания не теряют тепло так, как топка (внешнее сгорание). Большая часть энергии, выделяемой при сжигании дизельного топлива или бензина, может быть направлена непосредственно на питание двигателя, в то время как большая часть тепла, выделяемого при сжигании угля, теряется в окружающей среде.

К 1950-м почти каждый мог слышать звон колокола паровоза. В двигателе внутреннего сгорания меньше движущихся частей, он более эффективен и им легче управлять. Все это означает гораздо меньше обслуживания и более длительный срок службы. Это то, что нужно железнодорожным компаниям, чтобы оставаться конкурентоспособными.

Достаточно быстро тепловоз заменил на железных дорогах паровоз. В Соединенных Штатах этот процесс был более или менее завершен к 1965 г. Большинство остальных стран дизелизировали или электрифицировали свои железные дороги к 1965 г.80. Несколько небольших операций в более бедных странах продолжались пару десятилетий. Есть только одно место в мире, где до сих пор ежедневно используются большие паровозы для грузовых перевозок, это Босния и Герцеговина. Об этой истории читайте в нашей статье «Удивительно! Пар в грузовых перевозках в 2022 году».

Санта-Фе 3751 покоряет Петлю Техачапи. (Из шоу Pentrex, «3751 Return to Steam».

Поклонники Steam, однако, могут поблагодарить армию добровольцев за спасение сотен паровозов от факела утилизации, некоторые из которых продолжают работать сегодня на музейных и туристических маршрутах по всему миру.

Итак, паровых двигателей больше нет?

Хотя паровозы больше не используются в повседневной эксплуатации железными дорогами мира, это не означает, что паровые двигатели не используются. Большинство атомных электростанций используют паровые двигатели для выработки электроэнергии. Топливо не уголь, конечно, а ядерные стержни.

Большая часть электричества, которое питает наши дома, вырабатывается паровыми двигателями. Однако вместо поршней и цилиндров силовые установки используют пар для вращения массивного электромагнита. Когда магнит вращается, он создает электричество.

Существуют солнечные тепловые электростанции, которые используют солнце для нагрева воды и используют пар для выработки электроэнергии с помощью турбины. Паровые двигатели, сжигающие топливо для нагрева воды в пар, который преобразует энергию топлива в кинетическую энергию, до сих пор используются во многих приложениях.

Тим Уолтер

Железнодорожник и модель железнодорожника. Автор и потребитель железнодорожных новостей и информации.

Просмотры сообщений:
1627

Как работает паровой двигатель

Как работает паровой двигатель :- Паровые двигатели — это двигатели, которые были хорошо известны своей производительностью и качеством сборки и заслуживали того, чтобы их хорошо помнили, поскольку они прокатились по миру во время промышленной революции 18-го и 19-го века. Паровые двигатели считаются одним из величайших изобретений на сегодняшний день. Эти двигатели являются прекрасным примером техники и техники.

Что приводит в действие паровые двигатели?

До начала 20-го века уголь был одним из самых популярных видов топлива и использовался во всем, например, в поездах, кораблях и паровых самолетах, которые были изобретены американским ученым по имени Сэмюэл П. Лэнгли, который был одним из первых соперников братьев Райт. . Самое лучшее в угле было то, что он был доступен в больших количествах внутри Земли, и поэтому он был сравнительно недорог и широко доступен.

Вы когда-нибудь знали, что такое уголь? Уголь относится к органическому химическому веществу, полностью основанному на углеродном элементе. Обнаружено, что уголь образовался более миллионов лет назад из-за мертвых останков растений и животных, которые были погребены под скалами, выдавлены под давлением или приготовлены внутренним теплом земли. Вот почему его называют ископаемым топливом.

Для движения паровых двигателей требовалось много угля, поскольку уголь содержит половину энергии на килограмм по сравнению с некоторыми ископаемыми видами топлива, такими как бензин, дизельное топливо и керосин.

Интересно, как все устроено в паровозе. Внутри паровой машины уголь загружается в топку – своего рода металлический ящик, в котором горит уголь. Огонь на углях нагревает котел внутри локомотива, который приводит в движение двигатель.

Котел паровоза не похож на котел, но работает по тому же принципу, производя пар под высоким давлением. Котел имеет большой резервуар для воды, который может выдержать десятки металлических труб, проходящих через него. Трубки идут от топки к дымоходу, который несет с собой жар и дым от огня. Устройство, состоящее из труб котла, означает, что огонь двигателя может очень быстро нагревать воду в баке котла, чтобы производить пар очень быстро и с полной эффективностью. Вода, которая используется для производства пара, поступает либо из резервуаров, установленных сбоку от двигателя, либо извлекается из отдельного вагона, известного как тендер, который тянется за локомотивом.

Пар, образующийся в котле, стекает в цилиндр прямо перед колесами, которые толкают поршень и поршень вперед и назад. Внутри цилиндра есть небольшая механическая заслонка, которая называется впускным клапаном, предназначенным для пропуска пара. Поршень, отвечающий за движение, соединяется с колесами локомотива с помощью локтевого плечевого сустава руки, известного как как кривошип и шатун.

Как работают паровые двигатели?

Когда поршень толкает кривошип и шатун, он вращает колеса двигателя и дает мощность поезду. Как только поршень приблизился к концу цилиндра, его нельзя протолкнуть дальше. Эта тенденция удерживать поезд в движении приводит к тому, что кривошип толкает поршень обратно в цилиндр из того места, где он фактически сместился. После этого клапан подачи пара закрывается. Выпускной клапан открывается, когда поршень перемещает пар обратно через цилиндр из дымовой трубы двигателя. Шум, производимый паровой машиной, и дым, возникающий при движении поршня вперед и назад в цилиндре.

По обеим сторонам двигателя установлен цилиндр, и оба этих цилиндра немного смещаются по отношению к другому, чтобы обеспечить постоянную мощность, толкающую двигатель вместе с ним.

Одноцилиндровый паровой двигатель используется в качестве парового локомотива на рельсах и называется роторным паровым двигателем из-за функции поршня, заставляющей колесо вращаться. Раньше паровые машины работали совершенно по-другому, просто толкая поршень вверх и вниз в простом движении вперед и назад. Поршневые паровые машины использовались для откачки воды из затопленных угольных шахт еще в древности.

Паровой двигатель одностороннего действия

Это двигатели, в которых пар толкает поршень в одном направлении, а импульс локомотива приводит его в движение в другом направлении. Но оказалось, что это самая неэффективная конструкция, поскольку поршень приводится в действие только в половине случаев.

Паровой двигатель двойного действия

Это немного сложные двигатели, но они намного лучше, так как в них используются дополнительные паровые трубы и клапаны, заставляющие пар сначала перемещать поршень в одну, а затем в другую сторону.