Применение воды в паровых двигателях. Двигатель своими руками паровой: подробное описание, чертежи

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.

Осмотр музейной экспозиции я пропущу и перейду сразу к машинному залу. Кому интересно, тот может найти полную версию поста у меня в жж. Машинный зал находится в этом здании:

29. Зайдя внутрь, у меня сперло дыхание от восторга - внутри зала была самая красивая паровая машина из всех, что мне доводилось видеть. Это был настоящий храм стимпанка - сакральное место для всех адептов эстетики паровой эры. Я был поражен увиденным и понял, что совершенно не зря заехал в этот городок и посетил этот музей.

30. Помимо огромной паровой машины, являющейся главным музейным объектом, тут также были представлены различные образцы паровых машин поменьше, а на многочисленных инфостендах рассказывалась история паровой техники. На этом снимке вы видите полностью функционирующую паровую машину, мощностью 12 л.с.

31. Рука для масштаба. Машина была создана в 1920 году.

32. Рядом с главным музейным экземпляром экспонируется компрессор 1940 года выпуска.

33. Этот компрессор в прошлом использовался в железнодорожных мастерских вокзала Вердау.

34. Ну а теперь рассмотрим детальней центральный экспонат музейной экспозиции - паровую 600-сильную машину 1899 года выпуска, которой и будет посвящена вторая половина этого поста.

35. Паровая машина является символом индустриальной революции, произошедшей в Европе в конце 18-го - начала 19-го века. Хотя первые образцы паровых машин создавались различными изобретателями еще в начале 18-го века, но все они были непригодны для промышленного использования так как обладали рядом недостатков. Массовое применение паровых машин в индустрии стало возможным лишь после того, как шотландский изобретатель Джеймс Уатт усовершенствовал механизм паровой машины, сделав ее легкой в управлении, безопасной и в пять раз мощней существовавших до этого образцов.

36. Джеймс Уатт запатентовал свое изобретение в 1775 году и уже в 1880-х годах его паровые машины начинают проникать на предприятия, став катализатором индустриальной революции. Произошло это прежде всего потому, что Джеймсу Уатту удалось создать механизм преобразования поступательного движения паровой машины во вращательное. Все существовавшие до этого паровые машины могли производить лишь поступательные движения и использоваться только лишь в качестве насосов. А изобретение Уатта уже могло вращать колесо мельницы или привод фабричных станков.

37. В 1800 году фирма Уатта и его компаньона Болтона произвела 496 паровых машин из которых лишь 164 использовались в качестве насосов. А уже в 1810 году в Англии насчитывалось 5 тысяч паровых машин, и это число в ближайшие 15 лет утроилось. В 1790 году между Филадельфией и Берлингтоном в США стала курсировать первая паровая лодка, перевозившая до тридцати пассажиров, а в 1804 году Ричард Тревинтик построил первый действующий паровой локомотив. Началась эра паровых машин, которая продлилась весь девятнадцатый век, а на железной дороге и первую половину двадцатого.

38. Это была краткая историческая справка, теперь вернемся к главному объекту музейной экспозиции. Паровая машина, которую вы видите на снимках, была произведена фирмой Zwikauer Maschinenfabrik AG в 1899 году и установлена в машинном зале прядильной фабрики "C.F.Schmelzer und Sohn". Паровая машина предназначалась для привода прядильных станков и в этой роли использовалась вплоть до 1941 года.

39. Шикарный шильдик. В то время индустриальная техника делалась с большим вниманием к эстетическому виду и стилю, была важна не только функциональность, но и красота, что отражено в каждой детали этой машины. В начале ХХ века некрасивую технику просто никто бы не купил.

40. Прядильная фабрика "C.F.Schmelzer und Sohn" была основана в 1820 году на месте теперешнего музея. Уже в 1841 году на фабрике была установлена первая паровая машина, мощностью 8 л.с. для привода прядильных машин, которая в 1899 году была заменена новой более мощной и современной.

41. Фабрика просуществовала до 1941 года, затем производство было остановлено в связи с началом войны. Все сорок два года машина использовалась по назначению, в качестве привода прядильных станков, а после окончания войны в 1945 - 1951 годы служила в качестве резервного источника электроэнергии, после чего была окончательно списана с баланса предприятия.

42. Как и многих ее собратьев, машину ждал бы распил, если бы не один фактор. Данная машина являлась первой паровой машиной Германии, которая получала пар по трубам от расположенной в отдалении котельной. Кроме того она обладала системой регулировки осей от фирмы PROELL. Благодаря этим факторам машина получила в 1959 году статус исторического памятника и стала музейной. К сожалению, все фабричные корпуса и корпус котельной были снесены в 1992 году. Этот машинный зал - единственное, что осталось от бывшей прядильной фабрики.

43. Волшебная эстетика паровой эры!

44. Шильдик на корпусе системы регулировки осей от фирмы PROELL. Система регулировала отсечку - количество пара, которое впускается в цилиндр. Больше отсечка - больше экономичность, но меньше мощность.

45. Приборы.

46. По своей конструкции данная машина является паровой машиной многократного расширения (или как их еще называют компаунд-машиной). В машинах этого типа пар последовательно расширяется в нескольких цилиндрах возрастающего объёма, переходя из цилиндра в цилиндр, что позволяет значительно повысить коэфициент полезного действия двигателя. Эта машина имеет три цилиндра: в центре кадра находится цилиндр высокого давления - именно в него подавался свежий пар из котельной, затем после цикла расширения, пар перепускался в цилиндр среднего давления, что расположен справа от цилиндра высокого давления.

47. Совершив работу, пар из цилиндра среднего давления перемещался в цилиндр низкого давления, который вы видите на этом снимке, после чего, совершив последнее расширение, выпускался наружу по отдельной трубе. Таким образом достигалось наиболее полное использование энергии пара.

48. Стационарная мощность этой установки составляла 400-450 л.с., максимальная 600 л.с.

49. Гаечный коюч для ремонта и обслуживания машины впечатляет размерами. Под ним канаты, при помощи которых вращательное движения передавалось с маховика машины на трансмиссию, соединенную с прядильными станками.

50. Безупречная эстетика Belle Époque в каждом винтике.

51. На этом снимке можно детально рассмотреть устройство машины. Расширяющийся в цилиндре пар передавал энергию на поршень, который в свою очередь осуществлял поступательное движение, передавая его на кривошипно-ползунный механизм, в котором оно трансформировалось во вращательное и передавалось на маховик и дальше на трансмиссию.

52. В прошлом с паровой машиной также был соединен генератор электрического тока, который тоже сохранился в прекрасном оригинальном состоянии.

53. В прошлом генератор находился на этом месте.

54. Механизм для передачи крутящего момента с маховика на генератор.

55. Сейчас на месте генератора установлен электродвигатель, при помощи которого несколько дней в году паровую машину приводят в движение на потеху публике. В музее каждый год проводятся "Дни пара" - мероприятие, объединяющее любителей и моделистов паровых машин. В эти дни паровая машина тоже приводится в движение.

56. Оригинальный генератор постоянного тока стоит теперь в сторонке. В прошлом он использовался для выработки электричества для освещения фабрики.

57. Произведен фирмой "Elektrotechnische & Maschinenfabrik Ernst Walther" в Вердау в 1899 году, если верить инфотабличке, но на оригинальном шильдике стоит год 1901.

58. Так как я был единственным посетителем музея в тот день, никто не мешал мне наслаждаться эстетикой этого места один-на-один c машиной. К тому же отсутствие людей способстовало получению хороших фотографий.

59. Теперь пару слов о трансмиссии. Как видно на этом снимке, поверхность маховика обладает 12 канавками для канатов, при помощи которых вращательное движение маховика передавалось дальше на элементы трансмиссии.

60. Трансмиссия, состоящая из колес различного диаметра, соединенных валами, распределяла вращательное движение на несколько этажей фабричного корпуса, на которых распологались прядильные станки, работающие от энергии, переданной при помощи трансмиссии от паровой машины.

61. Маховик с канавками для канатов крупным планом.

62. Тут хорошо видны элементы трансмиссии, при помощи которых крутящий момент передавался на вал, проходящий под землей и передающий вращательное движение в прилегающий к машинному залу корпус фабрики, в котором располагались станки.

63. К сожалению, фабричное здание не сохранилось и за дверью, что вела в соседний корпус, теперь лишь пустота.

64. Отдельно стоит отметить щит управления электрооборудованием, который сам по себе является произведением искусства.

65. Мраморная доска в красивой деревянной рамке с расположенной на ней рядами рычажков и предохранителей, роскошный фонарь, стильные приборы - Belle Époque во всей красе.

66. Два огромных предохранителя, расположенные между фонарем и приборами впечатляют.

67. Предохранители, рычажки, регуляторы - все оборудование эстетически привлекательно. Видно, что при создании этого щита о внешнем виде заботились далеко не в последнюю очередь.

68. Под каждым рычажком и предохранителем расположена "пуговка" с надписью, что этот рычажок включает/выключает.

69. Великолепие техники периода "прекрасной эпохи ".

70. В завершении рассказа вернемся к машине и насладимся восхитительной гармонией и эстетикой ее деталей.

71. Вентили управления отдельными узлами машины.

72. Капельные масленки, предназначенные для смазки движущихся узлов и агрегатов машины.

73. Этот прибор называется пресс-масленка. От движущейся части машины приводятся в движение червяки, перемещающие поршень масленки, а он нагнетает масло к трущимся поверхностям. После того, как поршень дойдет до мертвой точки, его вращением ручки поднимают назад и цикл повторяется.

74. До чего же красиво! Чистый восторг!

75. Цилиндры машины с колонками впускных клапанов.

76. Еще масленки.

77. Эстетика стимпанка в классическом виде.

78. Распределительный вал машины, регулирующий подачу пара в цилиндры.

79.

80.

81. Все это очень очень красиво! Я получил огромный заряд вдохновения и радостных эмоций во время посещения этого машинного зала.

82. Если вас вдруг судьба занесет в регион Цвикау, посетите обязательно этот музей, не пожалеете. Сайт музея и его координаты: 50°43"58"N 12°22"25"E

Паровой машиной называется тепловой двигатель, в котором по­тенциальная энергия расширяющегося пара преобразуется в меха­ническую энергию, отдаваемую потребителю.

С принципом действия машины ознакомимся, воспользовавшись упрощенной схемой фиг. 1.

Внутри цилиндра 2 находится поршень 10, который может пере­мещаться вперед и назад под давлением пара; в цилиндре имеются четыре канала, которые могут открываться и закрываться. Два верх­них пароподводящих канала 1 и 3 соединены трубопроводом с паро­вым котлом, и через них в цилиндр может поступать свежий пар. Через два нижних капала 9 и 11 пар, уже совершивший работу, выпускается из цилиндра.

На схеме показан момент, когда каналы 1 и 9 открыты, каналы 3 и 11 закрыты. Поэтому свежий пар из котла по каналу 1 поступает в левую полость цилиндра и своим давлением перемещает поршень вправо; в это время отработавший пар по каналу 9 из правой полости цилиндра удаляется. При крайнем правом положении поршня каналы 1 и 9 закрыты, а 3 для впуска свежего пара и 11 для выпуска отработавшего пара открыты, вследствие чего поршень переместится влево. При крайнем левом положении поршня открываются каналы 1 и 9 и закрываются каналы 3 и 11 и процесс повторяется. Таким образом, создается прямолинейное возвратно-поступательное движе­ние поршня.

Для преобразования этого движения во вращательное приме­няется так называемый кривошипно-шатунный механизм. Он состоит из поршневого штока- 4, соединенного одним концом с поршнем, а другим шарнирно, посредством ползуна (крейцкопфа) 5, скользящего между направляющими параллелями, с шатуном 6, который передает движение, на коренной вал 7 через его колено или кривошип 8.

Величина вращающего момента на коренном валу не является постоянной. В самом деле, силу Р , направленную вдоль штока (фиг. 2), можно разложить на две составляющие: К , направленную вдоль шатуна, и N , перпендикулярную к плоскости направляющих параллелей. Сила N не оказывает никакого влияния на движение, а только прижимает ползун к направляющим параллелям. Сила К передается вдоль шатуна и действует на кривошип. Здесь ее опять можно разложить на две составляющие: силу Z , направленную по радиусу кривошипа и прижимающую вал к подшипникам, и силу Т , перпендикулярную к кривошипу и вызывающую вращение вала. Величина силы Т определится из рассмотрения треугольника AKZ. Так как угол ZAK = ? + ?, то

Т = К sin (? + ?).

Но из треугольника ОКР сила

K= P/ cos ?

поэтому

T= Psin ( ? + ?) / cos ? ,

При работе машины за один оборот вала углы ? и ? и сила Р непрерывно меняются, а поэтому величина крутящей (тангенциаль­ной) силы Т также переменна. Чтобы создать равномерное вращение коренного вала в течение одного оборота, на него насаживают тяжелое колесо-маховик, за счет инерции которого поддерживается постоян­ная угловая скорость вращения вала. В те моменты, когда сила Т возрастает, она не может сразу же увеличить скорость вращения вала, пока не ускорится движение маховика, чего не происходит мгновенно, так как маховик обладает большой массой. В те моменты, когда работа, производимая крутящей силой Т , становится меньше работы сил сопротивления, создаваемых потребителем, маховик опять-таки в силу своей инерции не может сразу уменьшить свою ско­рость и, отдавая полученную при своем разгоне энергию, помогает поршню преодолевать нагрузку.

При крайних положениях поршня углы? + ? = 0, поэтому sin (? + ?) =0 и, следовательно, Т = 0. Так как вращающее уси­лие в этих положениях отсутствует, то, если машина была бы без маховика, сна должна была бы остановиться. Эти крайние положения поршня называются мертвыми положениями или мертвыми точками. Через них кривошип переходит также за счет инерции маховика.

При мертвых положениях поршень не доводится до соприкоснове­ния с крышками цилиндра, между поршнем и крышкой остается так называемое вредное пространство. В объем вредного прост­ранства включается также объем паровых каналов от органов парорас­пределения до цилиндра.

Ходом поршня S называется путь, проходимый поршнем при перемещении из одного крайнего положения в другое. Если расстояние от центра коренного вала до центра пальца кривошипа - радиус кривошипа - обозначить через R, то S = 2R.

Рабочим объемом цилиндра V h называется объем, описываемый поршнем.

Обычно паровые машины бывают двойного (двухстороннего) действия (см. фиг. 1). Иногда применяются машины односторон­него действия, в которых пар оказывает давление на поршень только со стороны крышки; другая сторона цилиндра в таких маши­нах остается открытой.

В зависимости от давления, с которым пар покидает цилиндр, машины разделяются на выхлопны е, если пар выходит в атмо­сферу, конденсационные, если пар выходит в конденсатор (холодильник, где поддерживается пониженное давление), и тепло фикационные, у которых отработавший в машине пар исполь­зуется для каких-либо целей (отопление, сушка и пр.)

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)

1. 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.

2. 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.

3. 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".

4. 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.

5. 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.

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

Паровая машина в действии

Изобретение и развитие

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном из Александрии в первом столетии - это так называемая «баня Герона», или «эолипил». Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Предполагается, что преобразование пара в механическое движение было известно в Египте в период римского владычества и использовалось в несложных приспособлениях.

Первые промышленные двигатели

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

Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель», который был первым паровым двигателем, на который мог быть коммерческий спрос. Это был усовершенствованный паровой двигатель Сейвери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Ньюкомен, возможно, базировался на описании экспериментов Папена, находящихся в Лондонском королевском обществе , к которым он мог иметь доступ через члена общества Роберта Гука , работавшего с Папеном.

Схема работы паровой машины Ньюкомена.
– Пар показан лиловым цветом, вода - синим.
– Открытые клапаны показаны зелёным цветом, закрытые - красным

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. Клапаны ранних двигателей Ньюкомена открывались и закрывались вручную. Первым усовершенствованием было автоматизация действия клапанов, которые приводились в движение самой машиной. Легенда рассказывает, что это усовершенствование было сделано в 1713 году мальчиком Хэмфри Поттером, который должен был открывать и закрывать клапаны; когда это ему надоедало, он связывал рукоятки клапанов верёвками и шёл играть с детьми. К 1715 году уже была создана рычажная система регулирования, приводимая от механизма самого двигателя.

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

Хэмфри Гэйнсборо в 1760-ых годах построил модель паровой машины с конденсатором. В 1769 году шотландский механик Джеймс Уатт (возможно, использовав идеи Гейнсборо) запатентовал первые существенные усовершенствования к вакуумному двигателю Ньюкомена, которые сделали его значительно более эффективным по расходу топлива. Вклад Уатта заключался в отделении фазы конденсации вакуумного двигателя в отдельной камере, в то время как поршень и цилиндр имели температуру пара. Уатт добавил к двигателю Ньюкомена ещё несколько важных деталей: поместил внутрь цилиндра поршень для выталкивания пара и преобразовал возвратно-поступательное движения поршня во вращательное движение приводного колеса.

На основе этих патентов Уатт построил паровой двигатель в Бирмингеме . К 1782 году паровой двигатель Уатта оказался более чем в 3 раза производительнее машины Ньюкомена. Повышение эффективности двигателя Уатта привело к использованию энергии пара в промышленности. Кроме того, в отличие от двигателя Ньюкомена, двигатель Уатта позволил передать вращательное движение, в то время как в ранних моделях паровых машин поршень был связан с коромыслом, а не непосредственно с шатуном. Этот двигатель уже имел основные черты современных паровых машин.

Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления (американец Оливер Эванс и англичанин Ричард Тревитик). Р.Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм , или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования.

Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: "fardier à vapeur" (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем . Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход , построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7-8 миль в час . Пароход Дж. Фитча не был коммерчески успешным, поскольку с его маршрутом конкурировала хорошая сухопутная дорога. В 1802 году шотландский инженер Уильям Симингтон построил конкурентоспособный пароход, а в 1807 году американский инженер Роберт Фултон использовал паровой двигатель Уатта для привода первого коммерчески успешного парохода. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив , построенный Ричардом Тревитиком.

Паровые машины с возвратно-поступательным движением

Двигатели с возвратно-поступательным движением используют энергию пара для перемещения поршня в герметичной камере или цилиндре. Возвратно-поступательное действие поршня может быть механически преобразовано в линейное движение поршневых насосов или во вращательное движение для привода вращающихся частей станков или колёс транспортных средств.

Вакуумные машины

Ранние паровые машины назывались вначале «огневыми машинами», а также «атмосферными » или «конденсирующими» двигателями Уатта. Они работали на вакуумном принципе и поэтому известны также как «вакуумные двигатели». Такие машины работали для привода поршневых насосов , во всяком случае, нет никаких свидетельств о том, что они использовались в иных целях. При работе паровой машины вакуумного типа в начале такта пар низкого давления впускается в рабочую камеру или цилиндр. Впускной клапан после этого закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. В двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр, и конденсат сбегает в сборник конденсата. Таким образом создаётся вакуум в цилиндре. Атмосферное давление в верхней части цилиндра давит на поршень, и вызывает его перемещение вниз, то есть рабочий ход.

Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. В году появилась версия паровой машины, созданная Уаттом в сотрудничестве с Мэттью Боултоном, основным нововведением которой стало вынесение процесса конденсации в специальную отдельную камеру (конденсатор). Эта камера помещалась в ванну с холодной водой, и соединялась с цилиндром трубкой, перекрывающейся клапаном. К конденсационной камере была присоединена специальная небольшая вакуумная помпа (прообраз конденсатного насоса), приводимая в движение коромыслом и служащая для удаления конденсата из конденсатора. Образовавшаяся горячая вода подавалась специальным насосом (прообразом питательного насоса) обратно в котёл. Ещё одним радикальным нововведением стало закрытие верхнего конца рабочего цилиндра, в верхней части которого теперь находился пар низкого давления. Этот же пар присутствовал в двойной рубашке цилиндра, поддерживая его постоянную температуру. Во время движения поршня вверх этот пар по специальным трубкам передавался в нижнюю часть цилиндра, для того, чтобы подвергнуться конденсации во время следующего такта. Машина, по сути, перестала быть «атмосферной», и её мощность теперь зависела от разницы давлений между паром низкого давления и тем вакуумом, который удавалось получить. В паровой машине Ньюкомена смазка поршня осуществлялась небольшим количеством налитой на него сверху воды, в машине Уатта это стало невозможным, поскольку в верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку смесью тавота и нефти. Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.

Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничение их эффективности, были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII века . Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора. Максимальный теоретический КПД был ограничен относительно малой разницей температур по обе стороны поршня; это делало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими.

Сжатие

Выпускное окно цилиндра паровой машины перекрывается несколько раньше, чем поршень доходит до своего крайнего положения, что оставляет в цилиндре некоторое количество отработанного пара. Это означает, что в цикле работы присутствует фаза сжатия, формирующая так называемую «паровую подушку» , замедляющую движение поршня в его крайних положениях. Кроме того, это устраняет резкий перепад давления в самом начале фазы впуска, когда в цилиндр поступает свежий пар.

Опережение

Описанный эффект «паровой подушки» усиливается также тем, что впуск свежего пара в цилиндр начинается несколько раньше, чем поршень достигнет крайнего положения, то есть присутствует некоторое опережение впуска. Это опережение необходимо для того, чтобы перед тем, как поршень начнёт свой рабочий ход под действием свежего пара, пар успел бы заполнить то мёртвое пространство, которое возникло в результате предыдущей фазы, то есть каналы впуска-выпуска и неиспользуемый для движения поршня объем цилиндра.

Простое расширение

Простое расширение предполагает, что пар работает только при расширении его в цилиндре, а отработанный пар выпускается напрямую в атмосферу или поступает в специальный конденсатор. Остаточное тепло пара при этом может быть использовано, например, для обогрева помещения или транспортного средства, а также для предварительного подогрева воды, поступающей в котёл.

Компаунд

В процессе расширения в цилиндре машины высокого давления температура пара падает пропорционально его расширению. Поскольку теплового обмена при этом не происходит (адиабатический процесс), получается, что пар поступает в цилиндр с большей температурой, чем выходит из него. Подобные перепады температуры в цилиндре приводят к снижению эффективности процесса.

Один из методов борьбы с этим перепадом температур был предложен в 1804 году английским инженером Артуром Вульфом, который запатентовал Компаундную паровую машину высокого давления Вульфа . В этой машине высокотемпературный пар из парового котла поступал в цилиндр высокого давления, а после этого отработанный в нем пар с более низкой температурой и давлением поступал в цилиндр (или цилиндры) низкого давления. Это уменьшало перепад температуры в каждом цилиндре, что в целом снижало температурные потери и улучшало общий коэффициент полезного действия паровой машины. Пар низкого давления имел больший объём, и поэтому требовал большего объёма цилиндра. Поэтому в компаудных машинах цилиндры низкого давления имели больший диаметр (а иногда и большую длину) чем цилиндры высокого давления.

Такая схема также известна под названием «двойное расширение», поскольку расширение пара происходит в две стадии. Иногда один цилиндр высокого давления был связан с двумя цилиндрами низкого давления, что давало три приблизительно одинаковых по размеру цилиндра. Такую схему было легче сбалансировать.

Двухцилиндровые компаундные машины могут быть классифицированы как:

• Перекрёстный компаунд - Цилиндры расположены рядом, их паропроводящие каналы перекрещены.
• Тандемный компаунд - Цилиндры располагаются последовательно, и используют один шток.
• Угловой компаунд - Цилиндры расположены под углом друг к другу, обычно 90 градусов, и работают на один кривошип.

После 1880-х годов компаундные паровые машины получили широкое распространение на производстве и транспорте и стали практически единственным типом, используемым на пароходах. Использование их на паровозах не получило такого широкого распространения, поскольку они оказались слишком сложными, частично из-за того, что сложными были условия работы паровых машин на железнодорожном транспорте . Несмотря на то, что компаундные паровозы так и не стали массовым явлением (особенно в Великобритании, где они были очень мало распространены и вообще не использовались после 1930-х годов), они получили определённую популярность в нескольких странах.

Множественное расширение

Упрощённая схема паровой машины с тройным расширением.
Пар высокого давления (красный цвет) от котла проходит через машину, выходя в конденсатор при низком давлении (голубой цвет).

Логичным развитием схемы компаунда стало добавление в неё дополнительных стадий расширения, что увеличивало эффективность работы. Результатом стала схема множественного расширения, известная как машины тройного или даже четверного расширения. Такие паровые машины использовали серии цилиндров двойного действия, объем которых увеличивался с каждой стадией. Иногда вместо увеличения объёма цилиндров низкого давления использовалось увеличение их количества, так же, как и на некоторых компаундных машинах.

Изображение справа показывает работу паровой машины с тройным расширением. Пар проходит через машину слева направо. Блок клапанов каждого цилиндра расположен слева от соответствующего цилиндра.

Появление этого типа паровых машин стало особенно актуальным для флота, поскольку требования к размеру и весу для судовых машин были не очень жёсткими, а главное, такая схема позволяла легко использовать конденсатор, возвращающий отработанный пар в виде пресной воды обратно в котёл (использовать солёную морскую воду для питания котлов было невозможно). Наземные паровые машины обычно не испытывали проблем с питанием водой и потому могли выбрасывать отработанный пар в атмосферу. Поэтому такая схема для них была менее актуальной, особенно с учётом её сложности, размера и веса. Доминирование паровых машин множественного расширения закончилось только с появлением и широким распространением паровых турбин. Однако в современных паровых турбинах используется тот же принцип разделения потока на цилиндры высокого, среднего и низкого давления.

Прямоточные паровые машины

Прямоточные паровые машины возникли в результате попытки преодолеть один недостаток, свойственный паровым машинам с традиционным парораспределением. Дело в том, что пар в обычной паровой машине постоянно меняет направление своего движения, поскольку и для впуска и для выпуска пара применяется одно и то же окно с каждой стороны цилиндра. Когда отработанный пар покидает цилиндр, он охлаждает его стенки и парораспределительные каналы. Свежий пар, соответственно, тратит определённую часть энергии на их нагревание, что приводит к падению эффективности. Прямоточные паровые машины имеют дополнительное окно, которое открывается поршнем в конце каждой фазы, и через которое пар покидает цилиндр. Это повышает эффективность машины, поскольку пар движется в одном направлении, и температурный градиент стенок цилиндра остается более или менее постоянным. Прямоточные машины одинарного расширения показывают примерно такую же эффективность, как компаундные машины с обычным парораспределением. Кроме того, они могут работать на более высоких оборотах, и потому до появления паровых турбин часто применялись для привода электрогенераторов, требующих высокой скорости вращения.

Прямоточные паровые машины бывают как одинарного, так и двойного действия.

Паровые турбины

Паровая турбина представляет собой серию вращающихся дисков, закрепленных на единой оси, называемых ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закрепленных на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в нее подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии . Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения).

Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания.

Другие типы паровых двигателей

Применение

Паровые машины могут быть классифицированы по их применению следующим образом:

Стационарные машины

Паровой молот

Паровая машина на старой сахарной фабрике, Куба

Стационарные паровые машины могут быть разделены на два типа по режиму использования:

• Машины с переменным режимом, к которым относятся машины металлопрокатных станов , паровые лебёдки и подобные устройства, которые должны часто останавливаться и менять направление вращения.
• Силовые машины, которые редко останавливаются и не должны менять направление вращения. Они включают энергетические двигатели на электростанциях , а также промышленные двигатели, использовавшиеся на заводах, фабриках и на кабельных железных дорогах до широкого распространения электрической тяги. Двигатели малой мощности используются на судовых моделях и в специальных устройствах.

Паровая лебёдка в сущности является стационарным двигателем, но установлена на опорной раме, чтобы её можно было перемещать. Она может быть закреплена тросом за якорь и передвинута собственной тягой на новое место.

Транспортные машины

Паровые машины использовались для привода различных типов транспортных средств, среди них:

• Сухопутные транспортные средства:
  • Паровой автомобиль
  • Паровой трактор
  • Паровой экскаватор, и даже
• Паровой самолёт.

В России первый действующий паровоз был построен Е. А. и М. Е. Черепановыми на Нижне-Тагильском заводе в 1834 году для перевозки руды. Он развивал скорость 13 вёрст в час и перевозил более 200 пудов (3,2 тонны) груза. Длина первой железной дороги составляла 850 м.

Преимущества паровых машин

Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового Океана на разных глубинах.

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

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

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

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

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