Энциклопедия автомобилей

Изобретения

Паровая машина

Парова́я маши́на — 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. Первая паровая машина построена в XVII в. Папеном и представляла цилиндр с поршнем, который поднимался действием пара, а опускался давлением атмосферы после сгущения отработавшего пара. На этом же принципе были построены в 1705 году вакуумные паровые машины Севери и Ньюкомена для выкачивания воды из копей. Значительные усовершенствования в вакуумной паровой машине были сделаны Джеймсом Уаттом в 1769 году. Дальнейшее значительное усовершенствование парового двигателя (применение на рабочем ходу пара высокого давления вместо вакуума) было сделано американцем Оливером Эвансом в 1786 году и англичанином Ричардом Тревитиком в 1800 году. В России первая действующая паровая машина была построена в 1766 году по проекту Ивана Ползунова, предложенному им в 1763 году. Машина Ползунова имела два цилиндра с поршнями, работала непрерывно, и все действия в ней проходили автоматически. Но увидеть своё изобретение в работе И. И. Ползунову не пришлось: он умер 27 мая 1766 года, а его машина пущена в эксплуатацию на Барнаульском заводе только летом. Через пару месяцев из-за поломки она перестала действовать и впоследствии была демонтирована.

Принцип действия

Для привода паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям. Принцип действия паровой машины показан на илл. Работа поршня 1 посредством штока 2, ползуна 3, шатуна 4 и кривошипа 5 передаётся главному валу 6, несущему маховик 7, который служит для снижения неравномерности вращения вала. Эксцентрик, сидящий на главном валу, с помощью эксцентриковой тяги приводит в движение золотник 8, управляющий впуском пара в полости цилиндра. Пар из цилиндра выпускается в атмосферу или поступает в конденсатор. Для поддержания постоянного числа оборотов вала при изменяющейся нагрузке паровые машины снабжаются центробежным регулятором 9, автоматически изменяющим сечение прохода пара, поступающего в паровую машину (дроссельное регулирование, показано на рисунке), или момент отсечки наполнения (количественное регулирование).

Паровая машина
Схема паровой машины "тандем": 1 – поршень, 2 – поршневой шток, 3 – ползун, 4 – шатун, 5 – кривошип, 6 – движение эксцентрикового клапана, 7 – маховик, 8 – скользящий клапан, 9 – центробежный регулятор
(Автор: https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Panther - собственная работа; Drawn using Corel Draw!; Image Ready, http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=268519)

Коэффициент полезного действия

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

КПД тепловой машины равен:

η = W/Q,

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

Тепловой двигатель не может иметь КПД больший, чем у цикла Карно, в котором количество теплоты передается от нагревателя с высокой температурой к холодильнику с низкой температурой. КПД идеальной тепловой машины Карно зависит исключительно от разности температур, причём в расчётах используется абсолютная термодинамическая температура. Следовательно, для паровых двигателей необходимы максимально высокая температура T1 в начале цикла (достигаемая, например, с помощью пароперегрева) и как можно более низкая температура T2 в конце цикла (например, с помощью конденсатора):

η ⩽ 1 - T2/T1

Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл) от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более. Тепловая электростанция с пароперегревателем и регенеративным водоподогревом может достичь КПД в 30—42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать КПД в 50—60 %. На ТЭЦ эффективность повышается за счёт использования частично отработавшего пара для отопления и производственных нужд. При этом используется до 90 % энергии топлива и только 10 % рассеивается бесполезно в атмосфере.

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

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

У паровых машин очень важным свойством является то, что изотермическое расширение и сжатие происходят при постоянном давлении, конкретно — при давлении поступающего из котла пара. Поэтому теплообменник может иметь любой размер, а перепад температур между рабочим телом и охладителем или нагревателем составляют чуть ли не 1 градус. В результате тепловые потери могут быть сведены к минимуму. Для сравнения, перепады температур между нагревателем или охладителем и рабочим телом в стирлингах может достигать 100 °C.

Преимущества и недостатки

Основным преимуществом паровых машин, как двигателей внешнего сгорания, в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива (источник тепла) — от кизяка до урана. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового океана на разных глубинах.

Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга, которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.

Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает, а, наоборот, возрастает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки и Китая, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов.

В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) 1930-х годов, со множеством современных усовершенствований, таких как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т. д. В результате такие паровозы имеют на 60 % меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными тепловозами и электровозами.

Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса.

К недостаткам паровых машин можно отнести:

Изобретение и развитие

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться.

Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, турецким астрономом, физиком и инженером XVI века Такиюддином аш-Шами. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса.

Подобную машину предложил в 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.

Паровая машина была создана также испанским изобретателем Иеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т. Севери (см. ниже). Принцип действия и применение паровых машин были описаны также в 1655 году англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 году он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в 19-м столетии). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной.

Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-х в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 году создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала только как демонстрационная модель: для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла, проложив таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. Однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил. Папен также проектировал лодку, приводимую в движение колесом с реактивной силой в комбинации концепций Таки ад-Дина и Севери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.

Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач.

Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Севери в 1698 году. На своё устройство Севери в 1698 году получил патент. Это был паровой насос без поршня, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы насоса иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт, изобретатель назвал его «другом рудокопа».

В 1712 году английский кузнец Томас Ньюкомен продемонстрировал свой «атмосферный (вакуумный) двигатель». Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором Ньюкомен применил цилиндр с поршнем и существенно снизил рабочее давление пара. Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Именно насос Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение.

В 1720 г. немецкий физик Якоб Лёйпольд изобрёл двухцилиндровый паровой двигатель высокого давления, в котором рабочий ход совершается не низким давлением вакуума, образующимся после впрыска воды в цилиндр с горячим водяным паром, как в вакуумных двигателях, а высоким давлением горячего водяного пара. Отработанный пар сбрасывается в атмосферу. Но машины высокого давления были построены только через 80 лет, в начале XIX века, американцем Оливером Эвансом и англичанином Ричардом Тревитиком.

В 1763 году механиком И. И. Ползуновым была спроектирована первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах, которая была построена в 1764 году.

В 1765 г. Джеймс Уатт для повышения КПД вакуумного двигателя Ньюкомена, сделал отдельный конденсатор. Двигатель всё ещё оставался вакуумным.

В 1781 году Джеймс Уатт запатентовал вакуумную паровую машину с кривошипно-шатунным механизмом, которая производила непрерывное вращательное движение вала (в отличие от поступательного движения в вакуумном двигателе водоподъёмного насоса Ньюкомена). Двигатель всё ещё оставался вакуумным, но вакуумный двигатель Уатта с кривошипно-шатунным механизмом, мощностью десять лошадиных сил, стало возможным, при наличии каменного угля и воды, устанавливать и использовать в любом месте для любой цели. С вакуумным двигателем Уатта принято связывать начало промышленной революции в Англии.

Дальнейшим повышением эффективности парового двигателя было применение пара высокого давления американцем Оливером Эвансом и англичанином Ричардом Тревитиком.

В 1786 году Эванс попытался было запатентовать обычный паровой автомобиль, в котором приводом служила паровая машина высокого давления, но патентное управление отказало Эвансу, посчитав его идею нелепой фантазией. Позже Эванс изготовил в общей сложности около полусотни подобных машин, большая часть которых использовалась для привода насосных установок.

Ричард Тревитик, инициатор создания и применения стационарных машин, работающих при высоких давлениях (получил патент на «машину высокого давления» в 1800), освоил на практике цилиндрические паровые (так называемые «корнваллийские») котлы (1815). С 1797 строил модели паровых повозок, а в 1801 начал строить оригиналы повозок, последняя из которых прошла успешные испытания в Корнуэлле и Лондоне (1802—1803).

В 1801 году Ричард Тревитик построил первый в истории паровоз "Puffing Devil", затем в 1802 году паровоз "Coalbrookdale" для одноимённой угольной компании.

Тревитик успешно строил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм, или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования. Множество вакуумных двигателей, построенных ранее по схеме Джеймса Уатта, после изобретения Эванса и Тревитика были перестроены по схеме «корнуэльского двигателя» высокого давления.

В 1769 году французский изобретатель Николя-Жозеф Кюньо продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем.

Паровая повозка Кюньо
Паровая повозка Кюньо, 1771 г.
(Автор: Photo et photographisme © Roby. Grand format sur demande - own work. Avec l'aimable permission du Musée des Arts et Métiers, Paris., http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=41639)

Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавэр между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7—8 узлов. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в городе Мертир-Тидвил в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком.

В 1824 году французский учёный и инженер Сади Карно в своём сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» впервые описал цикл работы термодинамической системы, позже названный его именем.

Следует отметить, что распространение парового двигателя шло постепенно: механизмы, использующие водную и ветряную энергию, ещё долго конкурировали с паровыми машинами. В частности, до 1870 года в Соединённых Штатах большинство фабрик использовали энергию водяных турбин, а не паровых двигателей.

Применение

Вплоть до середины XX в. паровые машины широко применялись в тех областях, где их положительные качества (большая надёжность, возможность работы с большими колебаниями нагрузки, возможность длительных перегрузок, долговечность, невысокие эксплуатационные расходы, простота обслуживания и лёгкость реверсирования) делали применение паровой машины более целесообразным, чем применение других двигателей, несмотря на её недостатки, вытекающие главным образом из наличия кривошипно-шатунного механизма. К таким областям относятся: железнодорожный транспорт (см. паровоз); водный транспорт (см. пароход), где паровая машина делила своё применение с двигателями внутреннего сгорания и паровыми турбинами; промышленные предприятия с силовым и тепловым потреблением: сахарные заводы, спичечные, текстильные, бумажные фабрики, отдельные пищевые предприятия. Характер теплового потребления этих предприятий определял тепловую схему установки и соответствующий ей тип теплофикационной паровой машины: с концевым или промежуточным отбором пара.

Теплофикационные установки дают возможность уменьшать на 5—20 % расход топлива по сравнению с раздельным и установками, состоящими из конденсационных паровых машин и отдельных котёльных, производящих пар на технологические процессы и отопление. Проведённые в СССР исследования показали целесообразность перевода раздельных установок на теплофикационные путём введения регулируемого отбора пара из ресивера паровой машины двойного расширения. Возможность работы на любых видах топлива делала целесообразным применение паровых машин для работы на отходах производства и сельского хозяйства: на лесозаводах, в локомобильных установках и т. п., особенно при наличии теплового потребления, как, например, на деревообрабатывающих предприятиях, имеющих горючие отходы и потребляющих низкопотенциальное тепло для целей сушки лесоматериалов.

Паровая машина удобна для применения в безрельсовом транспорте (см. Паровой автомобиль, Паровой грузовик]), так как не требует коробки скоростей, однако она не получила здесь распространения из-за некоторых неразрешимых конструктивных трудностей. Также: паровой трактор, паровой экскаватор, и даже паровой самолёт.

Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Поздние паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами и электромоторами, КПД которых выше.

Паровые турбины, формально являющиеся разновидностью паровых машин, до сих пор широко используются в качестве приводов генераторов электроэнергии. Примерно 86 % электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с использованием паровых турбин.

Нетрадиционные машины

На 4-м канале Британского телевидения с 1998 года проводится реалити-шоу «Вызов со свалки» («Вызов со свалки»), в котором друг против друга выступают две команды из трёх постоянных участников и одного специалиста. Командам даётся 10 часов для постройки заданной машины из частей, которые они находят на свалке металлолома, а затем устраиваются гонки. В 2007 году команды британских и американских инженеров строили колёсный пароход в духе Брюнеля. При этом британская команда использовала для управления паровой машиной электрическую систему с микровыключателями и соленоидными клапанами. Их пароход набрал скорость, близкую к дизельной лодке американской команды.

Airspeed 2000 — единственный практический паролёт.

Источник: Википедия