Das Funktionsprinzip der Dampfmaschine

Inhalt

Anmerkung

1. Theoretischer Teil

1.1 Zeitkette

1.2 Dampfmaschine

1.2.1 Dampfkessel

1.2.2 Dampfturbinen

1.3 Dampfmaschinen

1.3.1 Die ersten Dampfer

1.3.2 Die Geburt der Zweiräder

1.4 Anwendung von Dampfmaschinen

1.4.1 Der Vorteil von Dampfmaschinen

1.4.2 Effizienz

2. Praktischer Teil

2.1 Aufbau des Mechanismus

2.2 Möglichkeiten zur Verbesserung der Maschine und ihrer Effizienz

2.3 Fragebogen

Abschluss

Literaturverzeichnis

Anwendung

Dampfmaschinewohltuende Aktion

Anmerkung

Diese wissenschaftliche Arbeit besteht aus 32 Blättern und beinhaltet einen theoretischen Teil, einen praktischen Teil, eine Anwendung und ein Fazit. Im theoretischen Teil lernen Sie das Funktionsprinzip von Dampfmaschinen und -mechanismen, ihre Geschichte und die Rolle ihrer Anwendung im Leben kennen. Der praktische Teil erzählt ausführlich von der Konstruktion und dem Testen des Dampfmechanismus zu Hause. Diese wissenschaftliche Arbeit kann als anschauliches Beispiel für die Arbeit und Nutzung der Dampfenergie dienen.

Einführung

Eine Welt, die allen Launen der Natur gehorcht, in der Maschinen durch Muskelkraft oder die Kraft von Wasser- und Windrädern angetrieben werden - so war die Welt der Technik vor der Entstehung der Dampfmaschine B. ein Blatt Papier), das ihm im Weg steht. Infolgedessen entstand nach vielen Experimenten eine Dampfmaschine.Und stellen Sie sich Fabriken mit rauchenden Schornsteinen, Dampfmaschinen und Turbinen, Dampflokomotiven und Dampfschiffen vor - die gesamte komplexe und mächtige Welt der Dampftechnik, die vom Menschen geschaffen wurde die einzige Universalmaschine und spielte eine große Rolle in der Entwicklung der Menschheit.Dampfmaschine war der Anstoß für die Weiterentwicklung der Fahrzeuge. Hundert Jahre lang war sie die einzige Industrielokomotive mit der Vielseitigkeit, die sie für den Einsatz in Fabriken, Eisenbahnen und Marine geeignet machte.Die Erfindung der Dampfmaschine ist ein großer Sprung an die Wende zweier Epochen. Und im Laufe der Jahrhunderte wird die ganze Bedeutung dieser Erfindung noch stärker spürbar.

Hypothese:

Ist es möglich, den einfachsten Mechanismus, der mit Dampf funktionierte, mit eigenen Händen zu bauen?

Zweck der Arbeit: einen Mechanismus zu entwickeln, der sich auf einem Dampf bewegen kann.

Forschungsziel:

1. Studieren Sie wissenschaftliche Literatur.

2. Entwerfen und bauen Sie den einfachsten dampfbetriebenen Mechanismus.

3. Berücksichtigen Sie die Möglichkeit einer zukünftigen Effizienzsteigerung.

Diese wissenschaftliche Arbeit soll als Leitfaden für den Physikunterricht für Gymnasiasten und Interessierte dienen.

1.TeoRetechnischer Bereich

Dampfmaschine ist eine Wärmekolbenmaschine, bei der die potentielle Energie von Wasserdampf aus einem Dampfkessel in mechanische Arbeit der hin- und hergehenden Kolbenbewegung oder Drehbewegung einer Welle umgewandelt wird.

Dampf ist neben Wasser und Thermalölen einer der gebräuchlichsten Wärmeträger in thermischen Systemen mit einem erhitzten flüssigen oder gasförmigen Arbeitsmedium. Wasserdampf hat eine Reihe von Vorteilen, darunter Einfachheit und Flexibilität in der Anwendung, geringe Toxizität und die Fähigkeit, dem technologischen Prozess eine erhebliche Energiemenge zuzuführen. Es kann in einer Vielzahl von Systemen verwendet werden, die einen direkten Kontakt des Kühlmittels mit verschiedenen Ausrüstungselementen erfordern, was effektiv dazu beiträgt, Energiekosten zu senken, Emissionen zu reduzieren und sich schnell amortisieren.

Der Energieerhaltungssatz ist ein empirisch begründetes fundamentales Naturgesetz, das darin besteht, dass die Energie eines isolierten (geschlossenen) physikalischen Systems über die Zeit erhalten bleibt. Mit anderen Worten, Energie kann nicht aus dem Nichts entstehen und nicht ins Nirgendwo verschwinden, sie kann nur von einer Form in eine andere übergehen. Grundsätzlich ist der Energieerhaltungssatz nach dem Noetherschen Theorem eine Folge der Homogenität der Zeit und in diesem Sinne universell, d. h. Systemen unterschiedlichster physikalischer Natur innewohnend.

1.1 Zeitkette

4000 v. Chr. NS. - Der Mensch hat das Rad erfunden.

3000 vor Christus NS. - Die ersten Straßen erschienen im antiken Rom.

2000 vor Christus NS. - das Rad hat für uns eine vertrautere Form angenommen. Er hat jetzt eine Nabe, Felge und Speichen, die sie verbinden.

1700 v. Chr. NS. - die ersten mit Holzbalken gepflasterten Straßen entstanden.

312 v. Chr. NS. - Im antiken Rom wurden die ersten Steinstraßen gebaut. Das Mauerwerk war einen Meter dick.

1405 - die ersten Frühlingspferdekutschen erschienen.

1510 - Die Pferdekutsche erhält eine Karosserie mit Wänden und einem Dach. Die Passagiere hatten die Möglichkeit, sich während der Fahrt vor schlechtem Wetter zu schützen.

1526 - Der deutsche Wissenschaftler und Künstler Albrecht Dürer entwickelt ein interessantes Projekt einer "pferdelosen Kutsche", die von der Muskelkraft des Menschen angetrieben wird. Leute, die an der Seite des Wagens entlanggingen, drehten spezielle Griffe. Diese Drehung wurde mittels eines Schneckengetriebes auf die Räder der Besatzung übertragen. Leider wurde der Wagen nicht hergestellt.

1600 - Simon Stevin baut eine Yacht auf Rädern, angetrieben von der Kraft des Windes. Sie wurde die erste pferdelose Kutsche.

1610 - Die Waggons erfuhren zwei wesentliche Verbesserungen. Zum einen wurden unzuverlässige und zu weiche Gurte, die die Passagiere während der Fahrt schaukelten, durch Stahlfedern ersetzt. Zweitens wurde das Pferdegeschirr verbessert. Nun zog das Pferd den Wagen nicht am Hals, sondern an der Brust.

1649 - Die ersten Tests zur Verwendung einer zuvor von einer Person verdrehten Feder als treibende Kraft wurden bestanden. Der Federwagen wurde von Johann Houch in Nürnberg gebaut. Historiker stellen diese Informationen jedoch in Frage, da es eine Version gibt, bei der anstelle einer großen Feder ein Mann im Wagen saß, der den Mechanismus in Gang setzte.

1680 - Die ersten Beispiele für den öffentlichen Reitverkehr tauchten in großen Städten auf.

1690 Stephan Farffler aus Nürnberg erfindet einen dreirädrigen Wagen, der sich mit zwei von Hand gedrehten Griffen bewegt. Dank dieses Antriebs konnte sich der Wagenkonstrukteur ohne Hilfe seiner Beine von Ort zu Ort bewegen.

1698 - Der Engländer Thomas Severi baut den ersten Dampfkessel.

1741 - Der russische Autodidakt Leonty Lukyanovich Shamshurenkov schickte einen Bericht mit einer Beschreibung des "selbstlaufenden Kinderwagens" an die Provinzkanzlei von Nischni Nowgorod.

1769 - Der französische Erfinder Cugno baut die erste Dampfmaschine der Welt.

1784 James Watt baut die erste Dampfmaschine.

1791 - Ivan Kulibin entwarf einen dreirädrigen selbstfahrenden Wagen, der zwei Passagiere aufnehmen konnte. Der Antrieb erfolgte über einen Tretmechanismus.

1794 - Cugnos Dampfmaschine wird als weiteres mechanisches Kuriosum dem "Repositorium für Maschinen, Werkzeuge, Modelle, Zeichnungen und Beschreibungen aller Arten von Kunsthandwerk" übergeben.

1800 - Es gibt die Meinung, dass in diesem Jahr das erste Fahrrad der Welt in Russland gebaut wurde. Sein Autor war der Leibeigene Efim Artamonov.

1808 - Das erste französische Fahrrad taucht auf den Straßen von Paris auf. Es war aus Holz und bestand aus einer Querstange, die zwei Räder verband. Im Gegensatz zum modernen Fahrrad hatte es weder Lenker noch Pedale.

1810 - Die Kutschenindustrie begann in Amerika und Europa zu entstehen. In großen Städten entstanden ganze Straßenzüge und sogar Viertel, die von Kutschermeistern bewohnt wurden.

1816 - Der deutsche Erfinder Karl Friedrich Dreis baut eine Maschine, die einem modernen Fahrrad ähnelt. Sobald es auf den Straßen der Stadt auftauchte, erhielt es den Namen "Laufmaschine", da sein Besitzer, der sich mit den Füßen abstieß, tatsächlich über den Boden lief.

1834 - Eine von M. Hakuet entworfene Segelcrew wird in Paris getestet. Diese Besatzung hatte einen 12 m hohen Mast.

1868 - Es wird angenommen, dass in diesem Jahr der Franzose Erne Michaud den Prototyp des modernen Motorrads geschaffen hat.

1871 - Der französische Erfinder Louis Perrault entwickelt die Dampfmaschine für das Fahrrad.

1874 - In Russland wurde ein Dampfradtraktor gebaut. Als Prototyp diente das englische Auto "Evelyn Porter".

1875 - In Paris fand eine Vorführung der ersten Dampfmaschine von Amadeus Bdley statt.

1884 - Der Amerikaner Louis Copeland baut ein Motorrad mit einer über dem Vorderrad montierten Dampfmaschine. Dieses Design könnte auf 18 km / h beschleunigen.

1901 - In Russland wurde ein Personenfährwagen der Moskauer Fahrradfabrik "Dux" gebaut.

1902 - Leon Serpollet stellte mit einem seiner Dampfwagen einen Geschwindigkeitsweltrekord von 120 km/h auf.

Ein Jahr später stellte er einen weiteren Rekord auf - 144 km / h.

1905 - Der Amerikaner F. Marriott überschreitet in einem Dampfwagen die Geschwindigkeit von 200 km

1.2 DampfMotor

Dampfbetriebener Motor. Der beim Erhitzen des Wassers entstehende Dampf wird zur Bewegung verwendet. Bei einigen Motoren zwingt Dampf die Kolben in den Zylindern, sich zu bewegen. Dadurch entsteht eine Hin- und Herbewegung. Der angebrachte Mechanismus wandelt es normalerweise in eine Drehbewegung um. In Dampflokomotiven (Lokomotiven) werden Kolbenmotoren verwendet. Dampfturbinen werden auch als Motoren verwendet, die direkt eine Drehbewegung erzeugen, indem sie eine Reihe von Rädern mit Schaufeln drehen. Dampfturbinen treiben Kraftwerksgeneratoren und Schiffspropeller an. In jeder Dampfmaschine wird die Wärme, die beim Erhitzen von Wasser in einem Dampfkessel (Kessel) entsteht, in Bewegungsenergie umgewandelt. Wärme kann aus der Verbrennung von Brennstoff in einem Ofen oder aus einem Kernreaktor geliefert werden. Die allererste in der Geschichte der Dampfmaschinen war eine Art Pumpe, mit deren Hilfe sie das Wasser abpumpten, das die Minen überflutete. Es wurde 1689 von Thomas Savery erfunden. Bei dieser sehr einfach aufgebauten Maschine wurde Dampf kondensiert, der sich in eine kleine Menge Wasser verwandelte, wodurch ein Unterdruck erzeugt wurde, wodurch Wasser aus dem Schacht gesaugt wurde. 1712 erfand Thomas Newcomen eine dampfbetriebene Kolbenpumpe. In den 1760er Jahren. James Watt verbesserte das Design von Newcomen und schuf viel effizientere Dampfmaschinen. Sie wurden bald in Fabriken verwendet, um Werkzeugmaschinen anzutreiben. 1884 erfand der englische Ingenieur Charles Parsone (1854-1931) die erste praktische Dampfturbine. Seine Konstruktionen waren so effizient, dass sie bald die Kolbendampfmaschinen in Kraftwerken ersetzten. Der erstaunlichste Fortschritt auf dem Gebiet der Dampfmaschinen war die Entwicklung einer mikroskopisch kleinen, vollständig geschlossenen, funktionierenden Dampfmaschine. Japanische Wissenschaftler haben es mit Techniken entwickelt, die zur Herstellung integrierter Schaltkreise verwendet werden. Ein kleiner Strom, der durch das elektrische Heizelement fließt, wandelt den Wassertropfen in Dampf um, der den Kolben antreibt. Nun müssen Wissenschaftler herausfinden, in welchen Bereichen dieses Gerät praktische Anwendung finden kann.

Die industrielle Revolution begann Mitte des 18. Jahrhunderts. in England mit der Entstehung und Einführung technologischer Maschinen in die industrielle Produktion. Die industrielle Revolution stellte die Ablösung der manuellen, handwerklichen und manufakturellen Produktion durch die maschinelle Fabrikproduktion dar.

Die wachsende Nachfrage nach Maschinen, die nicht mehr für jede einzelne Industrieanlage, sondern für den Markt gebaut und zur Ware wurden, führte zur Entstehung des Maschinenbaus, eines neuen Zweiges der industriellen Produktion. Die Produktion von Produktionsmitteln war geboren.

Der weit verbreitete Einsatz technologischer Maschinen machte die zweite Phase der industriellen Revolution völlig unvermeidlich - die Einführung eines Universalmotors in die Produktion.

Waren die alten Maschinen (Stößel, Hämmer usw.), die von Wasserrädern bewegt wurden, langsam und ungleichmäßig, so erforderten die neuen, insbesondere Spinn- und Webmaschinen, eine Rotationsbewegung mit hoher Geschwindigkeit. So erhielten die Anforderungen an die technischen Eigenschaften des Motors neue Eigenschaften: Ein universeller Motor muss Arbeit in Form einer unidirektionalen, kontinuierlichen und gleichmäßigen Drehbewegung leisten.

Unter diesen Bedingungen entstehen Motorenkonstruktionen, die versuchen, dringende Produktionsanforderungen zu erfüllen. In England wurden mehr als ein Dutzend Patente für Universalmotoren unterschiedlichster Systeme und Bauarten erteilt.

Als erste praktisch funktionierende Universaldampfmaschinen gelten jedoch Maschinen des russischen Erfinders Ivan Ivanovich Polzunov und des Engländers James Watt.

In Polzunovs Auto wurde zwei Zylindern mit Kolben abwechselnd Dampf aus dem Kessel durch Rohre mit einem Druck zugeführt, der etwas über dem Atmosphärendruck lag. Zur Verbesserung der Abdichtung wurden die Kolben mit Wasser geflutet. Mittels Stangen mit Ketten wurde die Bewegung der Kolben auf die Bälge von drei Kupferschmelzöfen übertragen.

Der Bau von Polzunovs Auto wurde im August 1765 abgeschlossen. Er hatte eine Höhe von 11 Metern, einen Kesselinhalt von 7 Metern, eine Zylinderhöhe von 2,8 Metern und eine Leistung von 29 kW.

Die Polzunov-Maschine erzeugte eine kontinuierliche Kraft und war die erste universelle Maschine, mit der jede Fabrikmaschine angetrieben werden konnte.

Watt begann seine Arbeit 1763 fast zeitgleich mit Polzunov, aber mit einer anderen Herangehensweise an das Problem des Motors und in einer anderen Umgebung. Polzunov begann mit einer allgemeinen Energiebilanz des Problems des vollständigen Ersatzes von Wasserkraftwerken in Abhängigkeit von den örtlichen Bedingungen durch eine universelle Wärmekraftmaschine. Watt begann mit der besonderen Aufgabe, den Wirkungsgrad des Newcomen-Motors im Zusammenhang mit den ihm als Mechaniker an der University of Glasgow (Schottland) anvertrauten Arbeiten zur Reparatur eines Modells einer Entwässerungsdampfanlage zu verbessern.

Der Watt-Motor erhielt 1784 seine endgültige industrielle Fertigstellung. In Watts Dampfmaschine wurden die beiden Zylinder durch einen geschlossenen ersetzt. Auf beiden Seiten des Kolbens strömte abwechselnd Dampf und drückte ihn in die eine oder andere Richtung. Bei einer solchen doppeltwirkenden Maschine wurde der Abdampf nicht in einem Zylinder, sondern in einem davon getrennten Behälter - einem Kondensator - kondensiert. Die Schwungradgeschwindigkeit wurde durch einen Fliehkraftregler konstant gehalten.

Der Hauptnachteil der ersten Dampfmaschinen war ihr geringer Wirkungsgrad von nicht mehr als 9%.

Spezialisierung von Dampfkraftwerken und Weiterentwicklung

Dampfmaschinen

Die Erweiterung des Anwendungsbereichs der Dampfmaschine erforderte immer größere Vielseitigkeit. Die Spezialisierung auf thermische Kraftwerke begann. Wasserhebe- und Grubendampfanlagen wurden weiter verbessert. Die Entwicklung der metallurgischen Produktion förderte die Verbesserung der Gebläseanlagen. Zentrifugalgebläse mit schnelllaufenden Dampfmaschinen erschienen. In der Metallurgie wurden Walzdampfkraftwerke und Dampfhämmer eingesetzt. Eine neue Lösung wurde 1840 von J. Nesmith gefunden, der eine Dampfmaschine mit einem Hammer kombinierte.

Eine eigenständige Richtung bildeten Lokomotiven - mobile Dampfkraftwerke, deren Geschichte 1765 beginnt, als der englische Baumeister J. Smeaton eine mobile Anlage entwickelte. Eine merkliche Verbreitung fanden Lokomotiven jedoch erst ab Mitte des 19. Jahrhunderts.

Nach 1800, als die zehnjährige Privilegierungsperiode von Watt & Bolton, die den Gesellschaftern enormes Kapital eingebracht hatte, endete, wurde anderen Erfindern endlich freie Hand gelassen. Fast sofort wurden fortschrittliche Methoden eingeführt, die von Watt nicht verwendet wurden: Hochdruck und doppelte Expansion. Die Verwerfung des Balancers und die Verwendung der mehrfachen Dampfexpansion in mehreren Zylindern führten zu neuen konstruktiven Formen von Dampfmaschinen. Doppelexpansionsmotoren begannen die Form von zwei Zylindern anzunehmen: Hochdruck und Niederdruck, entweder als Verbundmaschine mit einem Keilwinkel zwischen den Kurbeln von 90 ° oder als Tandemmaschinen, bei denen beide Kolben auf einer gemeinsamen Stange montiert sind und arbeiten an einer Kurbel.

Von großer Bedeutung für die Effizienzsteigerung von Dampfmaschinen war seit Mitte des 19. Jahrhunderts der Einsatz von überhitztem Dampf, auf dessen Wirkung der französische Wissenschaftler G.A. Mädchen. Der Übergang zur Verwendung von Heißdampf in den Zylindern von Dampfmaschinen erforderte lange Arbeit an der Konstruktion von Zylinderkolben und Ventilsteuerungen, der Entwicklung von Technologien zur Gewinnung hochtemperaturbeständiger mineralischer Schmieröle und an der Konstruktion neuer Typen von Dichtungen, insbesondere mit Metallpackungen, um schrittweise von Sattdampf auf überhitzt mit einer Temperatur von 200 - 300 Grad Celsius umzuschalten.

Der letzte große Schritt in der Entwicklung von Dampfkolbenmaschinen ist die Erfindung der Direktstrom-Dampfmaschine durch den deutschen Professor Stumpf im Jahr 1908.

In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts nahmen im Grunde alle Bauformen von Dampfkolbenmaschinen Gestalt an.

Eine neue Richtung in der Entwicklung von Dampfmaschinen ergab sich, als sie in den 80er bis 90er Jahren des 19. Jahrhunderts als Motoren für elektrische Generatoren von Kraftwerken eingesetzt wurden.

Der Primärmotor des elektrischen Generators musste eine hohe Geschwindigkeit, eine hohe Gleichmäßigkeit der Rotationsbewegung und eine kontinuierlich steigende Leistung aufweisen.

Die technischen Möglichkeiten einer Kolbendampfmaschine – einer Dampfmaschine – die im 19. . Sie konnten erst nach der Schaffung einer neuen Wärmekraftmaschine - einer Dampfturbine - zufrieden sein.

Dampfkessel

Die ersten Dampfkessel verwendeten Atmosphärendruckdampf. Die Prototypen der Dampfkessel waren der Bau von Verdauungskesseln, woraus der bis heute erhaltene Begriff „Kessel“ entstand.

Die Leistungssteigerung der Dampfmaschinen führte zu dem nach wie vor bestehenden Trend im Kesselbau: ein Anstieg der

Dampfkapazität - die vom Kessel pro Stunde erzeugte Dampfmenge.

Um dieses Ziel zu erreichen, wurden zwei oder drei Kessel installiert, um einen Zylinder zu speisen. Insbesondere wurde 1778 nach dem Projekt des englischen Maschinenbauingenieurs D. Smeaton eine Dreikesselanlage gebaut, um Wasser aus den Kronstädter Seedocks zu pumpen.

Wenn jedoch die Erhöhung der Blockkapazität von Dampfkraftwerken eine Erhöhung der Dampfkapazität der Kesseleinheiten erforderte, war zur Erhöhung des Wirkungsgrades eine Erhöhung des Dampfdrucks erforderlich, für die langlebigere Kessel benötigt wurden. So entstand der zweite und noch immer funktionierende Trend im Kesselbau: die Druckerhöhung. Am Ende des 19. Jahrhunderts erreichte der Druck in den Kesseln 13-15 Atmosphären.

Der Druckerhöhungsbedarf stand dem Wunsch entgegen, die Dampfleistung der Kessel zu erhöhen. Eine Kugel ist die beste geometrische Form eines Gefäßes, die einem hohen Innendruck standhalten kann, eine minimale Oberfläche für ein gegebenes Volumen bietet und eine große Oberfläche benötigt wird, um die Dampfproduktion zu erhöhen. Am akzeptabelsten war die Verwendung eines Zylinders - einer geometrischen Form, die der Kugel in Bezug auf die Festigkeit folgt. Der Zylinder ermöglicht es Ihnen, seine Oberfläche beliebig zu vergrößern, indem Sie seine Länge erhöhen. 1801 baute O. Ejans in den USA einen zylindrischen Kessel mit zylindrischer Brennkammer mit einem für die damalige Zeit extrem hohen Druck von etwa 10 Atmosphären. 1824 wurde St. Litvinov in Barnaul entwickelte ein Projekt für ein Original-Dampfkraftwerk mit einer Durchlaufkesselanlage aus Rippenrohren.

Um den Kesseldruck und die Dampfleistung zu erhöhen, war eine Verringerung des Zylinderdurchmessers (Stärke) und eine Vergrößerung seiner Länge (Produktivität) erforderlich: Der Kessel wurde zu einem Rohr. Es gab zwei Möglichkeiten, die Kesseleinheiten zu zerkleinern: Der Gasweg des Kessels oder der Wasserraum wurde zerkleinert. So wurden zwei Arten von Kesseln definiert: Feuerrohr- und Wasserrohrkessel.

In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurden ausreichend zuverlässige Dampferzeuger entwickelt, die eine Dampfleistung von bis zu Hunderten Tonnen Dampf pro Stunde ermöglichen. Der Dampfkessel war eine Kombination aus dünnwandigen Stahlrohren mit kleinem Durchmesser. Mit einer Wandstärke von 3-4 mm halten diese Rohre sehr hohen Drücken stand. Durch die Gesamtlänge der Rohre wird eine hohe Leistung erreicht. Bis Mitte des 19. Jahrhunderts bildete sich ein konstruktiver Dampfkesseltyp mit einem Bündel gerader, leicht geneigter Rohre, die in die flachen Wände zweier Kammern eingerollt waren - der sogenannte Wasserrohrkessel. Ende des 19. Jahrhunderts entstand ein vertikaler Wasserrohrkessel in Form von zwei zylindrischen Trommeln, die durch ein vertikales Rohrbündel verbunden sind. Diese Kessel mit ihren Trommeln hielten höheren Drücken stand.

Im Jahr 1896 wurde der Kessel von VG Schuchow auf der Allrussischen Messe in Nischni Nowgorod vorgeführt. Schuchows ursprünglicher zusammenklappbarer Kessel war transportabel, hatte niedrige Kosten und einen geringen Metallverbrauch. Schuchow war der erste, der ein Ofensieb vorschlug, das in unserer Zeit verwendet wird. t £ L №№0№lfo 9-1 * # 5 ^^^

Ende des 19. Jahrhunderts ermöglichten Wasserrohr-Dampfkessel eine Heizfläche von über 500 m und eine Produktivität von über 20 Tonnen Dampf pro Stunde, die Mitte des 20. Jahrhunderts um das Zehnfache anstieg.

Dampfmaschinen wurden von den frühen 1800er bis in die 1950er Jahre installiert und trieben die meisten Dampflokomotiven an. Ich möchte darauf hinweisen, dass das Funktionsprinzip dieser Motoren trotz der Änderung ihrer Konstruktion und Abmessungen immer unverändert geblieben ist.

Die animierte Illustration zeigt die Funktionsweise der Dampfmaschine.

Zur Erzeugung des dem Motor zugeführten Dampfes wurden Kessel verwendet, die sowohl mit Holz und Kohle als auch mit flüssigem Brennstoff betrieben wurden.

Erste Maßnahme

Dampf aus dem Kessel tritt in die Dampfkammer ein, aus der er durch das Dampfventilventil (blau markiert) in den oberen (vorderen) Teil des Zylinders eintritt. Der vom Dampf erzeugte Druck drückt den Kolben nach unten in Richtung UT. Bei der Bewegung des Kolbens vom OT zum UT macht das Rad eine halbe Umdrehung.

Veröffentlichung

Ganz am Ende der Kolbenbewegung in Richtung UT wird das Dampfventil verdrängt, wobei der restliche Dampf durch den unter dem Ventil befindlichen Auslassanschluss abgelassen wird. Restdampf entweicht, um die Geräuschcharakteristik von Dampfmaschinen zu erzeugen.

Zweite Maßnahme

Gleichzeitig öffnet die Verschiebung des Restdampfventils den Dampfeinlass zum unteren (hinteren) Teil des Zylinders. Der durch den Dampf im Zylinder erzeugte Druck zwingt den Kolben, sich in Richtung OT zu bewegen. Zu diesem Zeitpunkt macht das Rad eine weitere halbe Umdrehung.

Veröffentlichung

Am Ende der Kolbenbewegung auf OT wird der restliche Dampf durch das gleiche Austrittsfenster abgelassen.

Der Zyklus wird erneut wiederholt.

Die Dampfmaschine hat eine sogenannte. Totpunkt am Ende jedes Hubs, wenn das Ventil vom Expansionshub zum Auslass übergeht. Aus diesem Grund verfügt jede Dampfmaschine über zwei Zylinder, wodurch der Motor aus jeder Position gestartet werden kann.

Eine Dampfmaschine ist eine Wärmekraftmaschine, bei der die potentielle Energie des expandierenden Dampfes in mechanische Energie umgewandelt wird, die dem Verbraucher zugeführt wird.

Machen wir uns mit dem Funktionsprinzip der Maschine anhand des vereinfachten Diagramms von Abb. 1.

Im Inneren des Zylinders 2 befindet sich ein Kolben 10, der sich unter dem Dampfdruck hin und her bewegen kann; Der Zylinder hat vier Kanäle, die geöffnet und geschlossen werden können. Zwei obere Dampfzufuhrkanäle1 und3 über eine Rohrleitung mit dem Dampfkessel verbunden und durch sie kann Frischdampf in den Zylinder gelangen. Durch die beiden Bodentropfen werden 9 und 11 Paare, die die Arbeit bereits beendet haben, aus dem Zylinder ausgetragen.

Das Diagramm zeigt den Moment, in dem die Kanäle 1 und 9 geöffnet sind, die Kanäle 3 und11 abgeschlossen. Daher Frischdampf aus dem Kessel durch den Kanal1 tritt in den linken Hohlraum des Zylinders ein und bewegt den Kolben mit seinem Druck nach rechts; zu diesem Zeitpunkt wird der Abdampf durch den Kanal 9 aus dem rechten Hohlraum des Zylinders entfernt. An der äußersten rechten Position des Kolbens sind die Kanäle1 und9 geschlossen, und 3 für den Frischdampfeinlass und 11 für den Abdampfauslass sind geöffnet, wodurch sich der Kolben nach links bewegt. Wenn sich der Kolben ganz links befindet, öffnen sich die Kanäle1 und 9 und die Kanäle 3 und 11 werden geschlossen und der Vorgang wird wiederholt. Somit wird eine geradlinige Hin- und Herbewegung des Kolbens erzeugt.

Um diese Bewegung in eine Rotation umzuwandeln, wird ein sogenannter Kurbeltrieb verwendet. Es besteht aus einer Kolbenstange 4, die mit einem Ende mit dem Kolben verbunden ist und die andere schwenkbar mittels eines Gleiters (Kreuzkopf) 5, der zwischen den Parallelen der Führung gleitet, mit einer Pleuelstange 6, die die Bewegung auf das Hauptrad überträgt Welle 7 durch den Winkel oder die Kurbel 8.

Die Größe des Drehmoments an der Hauptwelle ist nicht konstant. Tatsächlich ist die StärkeR entlang des Stiels (Abb. 2) gerichtet, lässt sich in zwei Komponenten zerlegen:ZU entlang der Pleuelstange gerichtet, undn , senkrecht zur Ebene der Führungsparallelen. Die Kraft N hat keinen Einfluss auf die Bewegung, sondern drückt den Läufer nur gegen die Führungsparallelen. MachtZU wird entlang der Pleuelstange übertragen und wirkt auf die Kurbel. Hier lässt es sich wieder in zwei Komponenten zerlegen: StärkeZ , die entlang des Kurbelradius gerichtet ist und die Welle an die Lager drückt, und die KraftT senkrecht zur Kurbel und lässt die Welle rotieren. Die Größe der Kraft T wird unter Berücksichtigung des Dreiecks AKZ bestimmt. Da der Winkel ZAK =? +? dann

T = K Sünde (? + ?).

Aber von der OCD-Dreiecksstärke

K = P / cos ?

deshalb

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

Wenn die Maschine für eine Umdrehung der Welle läuft, sind die Winkel? und? und StärkeR ändern sich ständig, und damit die Größe der Verdrehungs-(Tangential-)KraftT ist auch variabel. Um eine gleichmäßige Drehung der Hauptwelle während einer Umdrehung zu erzeugen, wird darauf ein schweres Schwungrad aufgesetzt, aufgrund dessen Trägheit eine konstante Drehwinkelgeschwindigkeit der Welle aufrechterhalten wird. In diesen Momenten, in denen StärkeT erhöht, kann die Drehzahl der Welle nicht sofort erhöht werden, bis die Bewegung des Schwungrads beschleunigt wird, was nicht sofort geschieht, da das Schwungrad eine große Masse hat. In den Momenten, in denen die Arbeit des DrehmomentsT , die Arbeit der vom Verbraucher erzeugten Widerstandskräfte wird geringer, das Schwungrad wiederum kann aufgrund seiner Trägheit seine Geschwindigkeit nicht sofort reduzieren und hilft dem Kolben, die während seiner Beschleunigung aufgenommene Energie aufzugeben, die Last zu überwinden.

An den äußersten Positionen des Kolbens sind die Winkel? +? = 0, also sin (? +?) = 0 und damit T = 0. Da in diesen Positionen keine Drehkraft vorhanden ist, müsste der Schlaf bei einer Maschine ohne Schwungrad aufhören. Diese extremen Kolbenpositionen werden Totpositionen oder Totpunkte genannt. Durch die Trägheit des Schwungrades geht auch die Kurbel hindurch.

In Totstellungen kommt der Kolben nicht mit den Zylinderdeckeln in Kontakt, es verbleibt ein sogenannter Schadraum zwischen Kolben und Deckel. Das Volumen des Schadraumes umfasst auch das Volumen der Dampfkanäle von den Dampfverteilkörpern zum Zylinder.

KolbenhubS wird der Weg genannt, den der Kolben bei der Bewegung von einer Extremposition in eine andere zurücklegt. Wird der Abstand von der Mitte der Hauptwelle zur Mitte des Kurbelzapfens - der Radius der Kurbel - mit R bezeichnet, dann ist S = 2R.

Arbeitsvolumen des Zylinders V h wird das vom Kolben beschriebene Volumen genannt.

Normalerweise sind Dampfmaschinen doppelseitig (beidseitig) wirkend (siehe Abb. 1). Manchmal werden einfachwirkende Maschinen verwendet, bei denen Dampf nur von der Seite des Deckels Druck auf den Kolben ausübt; die andere Seite des Zylinders bleibt bei solchen Maschinen offen.

Abhängig vom Druck, mit dem der Dampf den Zylinder verlässt, werden die Maschinen unterteilt in Abluft, wenn der Dampf in die Atmosphäre abgelassen wird, Kondensieren, wenn der Dampf im Kondensator austritt (Kühlschrank, in dem der reduzierte Druck aufrechterhalten wird) und Heizung , in dem der in der Maschine verbrauchte Dampf für jeden Zweck verwendet wird (Heizen, Trocknen usw.)

DAMPF-DREHMOTOR und DAMPF-AXIALKOLBENMOTOR

Die Rotationsdampfmaschine (Rotationsdampfmaschine) ist eine einzigartige Kraftmaschine, deren Entwicklung noch nicht richtig entwickelt wurde.

Einerseits existierten im letzten Drittel des 19. Jahrhunderts verschiedene Bauformen von Wankelmotoren und funktionierten sogar gut, auch zum Antrieb von Dynamomaschinen, um elektrische Energie zu erzeugen und beliebige Gegenstände mit Strom zu versorgen. Die Qualität und Genauigkeit der Herstellung solcher Dampfmaschinen (Dampfmaschinen) war jedoch sehr primitiv, sodass sie einen geringen Wirkungsgrad und eine geringe Leistung hatten. Seitdem gehören kleine Dampfmaschinen der Vergangenheit an, aber zusammen mit wirklich wirkungslosen und wenig erfolgversprechenden Kolbendampfmaschinen gehören auch die aussichtsreichen Kreiseldampfmaschinen der Vergangenheit an.

Der Hauptgrund ist, dass es auf dem Stand der Technik Ende des 19. Jahrhunderts nicht möglich war, einen wirklich hochwertigen, leistungsstarken und langlebigen Wankelmotor herzustellen.
Daher haben von der ganzen Vielfalt an Dampfmaschinen und Dampfmaschinen bis in unsere Zeit nur Dampfturbinen mit enormer Leistung (ab 20 MW und mehr) sicher und aktiv überlebt, die heute etwa 75% der Stromerzeugung in unserem Land ausmachen. Hochleistungsdampfturbinen liefern auch Strom aus Kernreaktoren in raketentragenden Kampf-U-Booten und auf großen arktischen Eisbrechern. Aber das sind alles riesige Maschinen. Dampfturbinen verlieren schnell ihren gesamten Wirkungsgrad, wenn ihre Größe reduziert wird.

…. Aus diesem Grund gibt es keine Kraftdampfmaschinen und Dampfmaschinen mit einer Leistung unter 2000 - 1500 kW (2 - 1,5 MW), die effizient mit Dampf betrieben werden könnten, der aus der Verbrennung billiger fester Brennstoffe und verschiedener frei brennbarer Abfälle gewonnen wird.
Es ist in diesem, heutzutage leeren Bereich der Technologie (und absolut kahl, aber sehr bedarf eines Produktangebots in einer kommerziellen Nische), in dieser Marktnische der Maschinen mit geringer Leistung können und sollten Dampf-Rotationsmaschinen ihre ganz würdiger Ort. Und die braucht es nur in unserem Land - für Zehn- und Zehntausende ... Gerade solche kleinen und mittleren Kraftmaschinen zur autonomen Stromerzeugung und unabhängigen Stromversorgung werden von kleinen und mittelständischen Unternehmen in Gebieten fernab von großen benötigt Städten und Großkraftwerken: - in kleinen Sägewerken, abgelegenen Minen, in Feldlagern und Waldparzellen usw. usw.
…..

..
Schauen wir uns die Indikatoren an, die Rotationsdampfmaschinen besser machen als ihre engsten Verwandten - Dampfmaschinen in Form von Kolbendampfmaschinen und Dampfturbinen.
… — 1) Rotationsmotoren sind Verdrängerkraftmaschinen - genau wie Hubkolbenmotoren. Jene. sie haben einen geringen Dampfverbrauch pro Leistungseinheit, weil Dampf von Zeit zu Zeit und in streng dosierten Portionen in ihre Arbeitsräume geleitet wird und nicht in einem konstanten Überfluss wie bei Dampfturbinen. Deshalb sind Rotationsdampfmaschinen pro Leistungseinheit wesentlich wirtschaftlicher als Dampfturbinen.
— 2) Rotationsdampfmaschinen haben einen Angriffsarm der wirkenden Gaskräfte (Drehmomentarm) deutlich (mehrfach) mehr als Kolbendampfmaschinen. Daher ist die Leistung, die sie entwickeln, viel höher als die von Dampfkolbenmaschinen.
— 3) Rotationsdampfmaschinen haben einen viel größeren Hub als Kolbendampfmaschinen, d.h. haben die Fähigkeit, den größten Teil der inneren Energie des Dampfes in nützliche Arbeit umzuwandeln.
— 4) Rotationsdampfmaschinen können effizient mit gesättigtem (Nass-)Dampf betrieben werden, wobei die Kondensation eines erheblichen Teils des Dampfes mit seinem Übergang in Wasser direkt in den Arbeitsabschnitten der Rotationsdampfmaschine problemlos möglich ist. Dadurch wird auch der Wirkungsgrad des Dampfkraftwerks mit Dampf-Rotationsmaschine erhöht.
— 5 ) Rotationsdampfmaschinen arbeiten mit Drehzahlen von 2-3 Tausend U/min, was die optimale Drehzahl für die Stromerzeugung ist, im Gegensatz zu zu langsam laufenden Kolbenmaschinen (200-600 U/min) traditioneller Dampflokomotiven vom Typ Dampflokomotive oder von zu schnelllaufende Turbinen (10-20.000 U/min).

Gleichzeitig sind Rotationsdampfmaschinen technologisch relativ einfach herzustellen, was ihre Herstellungskosten relativ niedrig macht. Im Gegensatz zu Dampfturbinen, die extrem teuer in der Herstellung sind.

DAHER KURZE ZUSAMMENFASSUNG DIESES ARTIKELS - Eine Rotationsdampfmaschine ist eine hocheffiziente Dampfkraftmaschine zur Umwandlung des Dampfdrucks aus der Verbrennungswärme fester Brennstoffe und brennbarer Abfälle in mechanische Leistung und elektrische Energie.

Der Autor dieser Site hat bereits mehr als 5 Patente für Erfindungen zu verschiedenen Aspekten der Konstruktion von Rotationsdampfmaschinen erhalten. Und produzierte auch eine Reihe kleiner Rotationsmotoren mit einer Leistung von 3 bis 7 kW. Jetzt läuft die Konstruktion von Rotationsdampfmaschinen mit einer Leistung von 100 bis 200 kW.
Rotationsmotoren haben jedoch einen "generischen Nachteil" - ein komplexes Dichtungssystem, das sich für kleine Motoren als zu komplex, klein und teuer in der Herstellung erweist.

Gleichzeitig entwickelt der Autor der Seite Dampf-Axialkolbenmaschinen mit gegenläufiger - Gegenbewegung der Kolben. Diese Anordnung ist hinsichtlich der Leistungsvariation die energieeffizienteste aller möglichen Schemata zur Verwendung eines Kolbensystems.
Diese Motoren in kleinen Größen sind etwas billiger und einfacher als Rotationsmotoren, und in ihnen werden die traditionellsten und einfachsten Dichtungen verwendet.

Unten sehen Sie ein Video über die Verwendung eines kleinen Boxermotors mit Gegenaxialkolben.

Derzeit wird ein solcher 30 kW Axialkolben-Boxermotor hergestellt. Die Betriebsmittel des Motors werden mit mehreren hunderttausend Betriebsstunden erwartet, da die Umdrehungen der Dampfmaschine 3-4 mal niedriger sind als die des Verbrennungsmotors, im Reibpaar "Kolben-Zylinder" - Ionen ausgesetzt - Plasmanitrieren in einer Vakuumumgebung und die Härte der Reibflächen beträgt 62-64 Einheiten pro HRC. Einzelheiten zum Verfahren der Oberflächenhärtung durch Nitrieren finden Sie unter.

Hier eine Animation des Funktionsprinzips eines solchen Axialkolben-Boxermotors mit einer Gegenbewegung von Kolben, ähnlich im Aufbau.