Co wpłynęło na rozwój silnika parowego. Historia wynalezienia silników parowych

Silnik parowy był pierwszym silnik mechaniczny, dla których nie było szerokie praktyczne użycie... Pierwsze silniki parowe tłokowe po raz pierwszy zastosowano w produkcji fabrycznej, a później udało się je połączyć z kołami i uzyskać maszyny samobieżne:

• parowce;
• lokomotywy parowe;
• ciągniki;
• samochody.

Historia wynalezienia silnika parowego

Podstawowa zasada działania jest dowolna silnik parowy polega na tym, że energia gorącej pary zamieniana jest na energię mechaniczną, którą może być:

• wzajemny;
• rotacyjny.

A uzyskaną energię mechaniczną można już wykorzystać do użytecznych celów. Zasadę działania silnika parowego rozumieli już starożytni Grecy, ale w średniowieczu ludzie o niej zapomnieli. Zainteresowanie tym problemem odrodziło się ponownie dopiero w XVII wieku. Włoch Giovanni Branca w 1629 roku zaproponował model własnej turbiny parowej. Jednak ze względu na niedopuszczalnie duże straty energii ten pierwszy na świecie silnik parowy nie znalazł praktycznego zastosowania.

Ten Francuz jest z wykształcenia lekarzem, w 1675 przeniósł się do Anglii, gdzie zasłynął wieloma wynalazkami. Wymyślił więc „Kocioł Papy” - prototyp nowoczesnego podwójnego kotła. Papen był w stanie zauważyć zależność między wzrostem ciśnienia a temperaturą wrzenia cieczy. Udało mu się zbudować szczelny kocioł, w którym był wspierany wysokie ciśnienie krwi... W rezultacie woda w nim zagotowała się o podniesiona temperatura, i stało się możliwe gotowanie potraw w temperaturach powyżej 100 stopni, co przyspieszyło proces gotowania.

W przeddzień przeprowadzki do Foggy Albion Papen wynalazł silnik prochowy. Płonący w cylindrze proch strzelniczy pchnął tłok. Powstałe gazy proszkowe zostały usunięte przez zawór, a pozostałe schłodzone, dzięki czemu w cylindrze pojawiło się lekkie podciśnienie, a ciśnienie atmosferyczne przywróciło tłok na swoje miejsce.

Na podobnej zasadzie Papen stworzył w 1698 r. podobny silnik, ale już na wodzie. Był to właściwie pierwszy silnik parowy.

Mimo że sam pomysł obiecywał wymierne korzyści, nie przyniósł autorowi dywidendy. Faktem jest, że nieco wcześniej Severy (angielski mechanik) opatentował swoją pompę parową, która w tamtym czasie była jedynym sposobem na użycie silnika parowego. Tak się złożyło, że wynalazca pierwszej maszyny parowej Denis Papin zmarł w 1714 roku w Londynie, będąc biednym i samotnym.

Samochód Thomasa Newcomena

Ten przedsiębiorczy Anglik potrafił osiągać duże zyski. Miał 35 lat, kiedy powstała maszyna Papen. Newcomen dokładnie przestudiował spuściznę Papena i Severy'ego i zwrócił uwagę na niedociągnięcia obu modeli, a także wykorzystał mocne pomysły. Współpracując ze specjalistą od hydrauliki i szkła D. Callie, Newcomen stworzył swój pierwszy model do 1712 roku, kontynuując historię tworzenia silników parowych. Ją zasadnicza praca wyglądało to tak:

• projekt miał pionowy cylinder z tłokiem (od Papen);
• para wytwarzana była w oddzielnym kotle, który działał zgodnie z zasadą wynalazku Savery'ego;
• szczelność cylinder parowy zapewniana przez szczelną na tłok skórę.

Zwiększając ciśnienie, urządzenie Newcomena podniosło wodę z kopalni. Ale był bardzo nieporęczny i niezwykle żarłoczny na węgiel. Jednak te niedociągnięcia nie przeszkodziły półwiecznej eksploatacji tego wynalazku w kopalniach. Dzięki niemu możliwe stało się reanimowanie kopalń wcześniej opuszczonych z powodu zalania przez wody gruntowe. Ale ponieważ jego samochód był kompilacją wczesnych wynalazków, Newcomen nie mógł uzyskać na niego patentu.

Samochód Watta

Decydujący krok podjął Brytyjczyk James Watt, dzięki którego staraniom pojawił się wystarczająco mocny i kompaktowy pierwszy silnik parowy tłokowy. Jako mechanik na Uniwersytecie w Glasgow, Watt rozpoczął naprawę silnika parowego Newcomena w 1763 roku. W trakcie naprawy wymyślił sposób na ograniczenie jej obżarstwa - jej cylinder musiał być utrzymywany w cieple.

Ale nadal trzeba było rozwiązać problem kondensacji pary. Chwycił rozwiązanie, przechodząc obok pralni, gdzie para wylewała się spod pokrywek kociołków. Zdał sobie sprawę, że para jest gazem, który należy wstrzykiwać do cylindra pod zmniejszonym ciśnieniem. Osiągnął szczelność układu tłokowo-cylindrowego owijając pierwszą naoliwioną liną konopną, po czym stał się możliwa awaria od ciśnienia atmosferycznego - zauważalny krok naprzód.

W 1769 roku Watt opatentował silnik parowy, w którym temperatura pary i najważniejszych części była taka sama.

Pierwszy film Jamesa Watta o silniku parowym

Ale w życiu Watt miał mniej szczęścia i musiał zastawić patent na długi. Po 3 latach poznał bogatego przemysłowca Matthew Boltona, który wykupił jego patenty dla Watta. Pod jego opieką Watt wrócił do pracy. Już w 1773 roku nowy model Watta poddany próbom wykazał znacznie mniejsze zużycie węgla niż wymagali jego poprzednicy. A rok później Anglia rozpoczęła przemysłową produkcję samochodów Watta. W 1781 roku Watt opatentował silnik parowy, który napędzał maszyny przemysłowe. Nieco później te same technologie zaczęto wykorzystywać do ruchu statków parowych i pociągów, co miało stać się prawdziwą rewolucją techniczną.

Nie mniej bliscy jesteśmy Iwanowi Polzunowowi - rosyjskiemu wynalazcy pierwszego silnika parowego, który był w stanie obsługiwać wiele mechanizmów roboczych. Co więcej, dokonał tego wynalazku przed White - w 1763 roku, pracując w zakładach górniczych Ałtaju. Przedstawił swój projekt kierownikom fabryk, a ze stolicy otrzymał zgodę na montaż jednostki. Polzunov otrzymał rozkaz zbudowania dużej maszyny.

Praca ta zajęła 21 miesięcy, ale gdy była już prawie gotowa, wynalazca, który był chory na konsumpcję, zmarł kilka dni przed pierwszymi testami. Parowóz Polzunowa mógł pracować w sposób ciągły i nieprzerwany tryb automatyczny... Zostało to udowodnione w wyniku prób przeprowadzonych w 1766 roku przez uczniów Polzunowa. Miesiąc później samochód zaczął już działać, nie tylko odzyskawszy wszystkie koszty jego powstania, ale także przynosząc zysk właścicielom.

Jak myślisz, kogo można nazwać pierwszym wynalazcą silnika parowego? Opowiedz nam o tym w

Pominę oględziny ekspozycji muzealnej i udam się bezpośrednio do turbinowni. Wszyscy zainteresowani mogą znaleźć pełną wersję wpisu w moim LJ. Maszynownia znajduje się w tym budynku:

29. Wchodząc do środka zapierało mi dech w piersiach z zachwytu - w hali znajdowała się najpiękniejsza parowóz ze wszystkich, jakie kiedykolwiek widziałem. Była to prawdziwa steampunkowa świątynia - święte miejsce dla wszystkich zwolenników estetyki epoki pary. Byłem zdumiony tym, co zobaczyłem i zdałem sobie sprawę, że nie na próżno wjechałem do tego miasta i odwiedziłem to muzeum.

30. Oprócz ogromnej lokomotywy parowej, która jest głównym obiektem muzealnym, były też różne przykłady mniejszych maszyn parowych, a historię techniki parowej opowiadano na licznych stoiskach informacyjnych. Na tym zdjęciu widać w pełni działający silnik parowy o mocy 12 KM.

31. Ręka do wagi. Samochód powstał w 1920 roku.

32. Kompresor z 1940 r. jest wystawiony obok głównego eksponatu muzealnego.

33. Sprężarka ta była używana w przeszłości w warsztatach kolejowych na stacji Werdau.

34. A teraz przyjrzyjmy się bliżej centralnemu eksponatowi muzealnej ekspozycji – 600-konnej maszynie parowej wyprodukowanej w 1899 roku, która będzie tematem drugiej połowy tego wpisu.

35. Lokomotywa parowa jest symbolem rewolucji przemysłowej, która miała miejsce w Europie na przełomie XVIII i XIX wieku. Chociaż pierwsze egzemplarze maszyn parowych zostały stworzone przez różnych wynalazców na początku XVIII wieku, wszystkie nie nadawały się do użytku przemysłowego, ponieważ miały szereg wad. Masowe wykorzystanie silników parowych w przemyśle stało się możliwe dopiero po tym, jak szkocki wynalazca James Watt ulepszył mechanizm silnika parowego, czyniąc go łatwym w obsłudze, bezpiecznym i pięciokrotnie mocniejszym niż poprzednie modele.

36. James Watt opatentował swój wynalazek w 1775 roku i już w latach 80. XIX wieku jego silniki parowe zaczęły przenikać do fabryk, stając się katalizatorem rewolucji przemysłowej. Stało się tak przede wszystkim dlatego, że Jamesowi Wattowi udało się stworzyć mechanizm przekształcający ruch translacyjny silnika parowego na obrotowy. Wszystkie silniki parowe, które istniały wcześniej, mogły wytwarzać tylko ruchy translacyjne i być używane tylko jako pompy. A wynalazek Watta mógł już obracać kołem młyna lub napędem maszyn fabrycznych.

37. W 1800 roku firma Watt i jego partner Bolton wyprodukowała 496 silników parowych, z których tylko 164 było używanych jako pompy. A już w 1810 r. w Anglii było 5 tys. parowozów, a w ciągu następnych 15 lat liczba ta potroiła się. W 1790 r. między Filadelfią a Burlington w Stanach Zjednoczonych kursował pierwszy parowiec przewożący do trzydziestu pasażerów, a w 1804 r. Richard Trevintik zbudował pierwszą działającą lokomotywę parową. Rozpoczęła się era parowozów, która trwała cały XIX wiek, a na kolei i pierwszą połowę XX wieku.

38. To było krótkie odniesienie historyczne, wróćmy teraz do głównego obiektu ekspozycji muzealnej. Maszyna parowa pokazana na zdjęciach została wyprodukowana przez Zwikauer Maschinenfabrik AG w 1899 roku i zainstalowana w maszynowni przędzalni "C.F.Schmelzer und Sohn". Maszyna parowa przeznaczona była do napędzania przędzarek i pełniła tę funkcję do 1941 roku.

39. Elegancka tabliczka znamionowa. W tym czasie technologia przemysłowa została wykonana z dużą dbałością o estetyczny wygląd i styl, ważna była nie tylko funkcjonalność, ale także piękno, które znajduje odzwierciedlenie w każdym szczególe tej maszyny. Na początku XX wieku nikt nie kupował brzydkiego sprzętu.

40. Przędzalnia „C.F.Schmelzer und Sohn” została założona w 1820 r. na miejscu obecnego muzeum. Już w 1841 roku w fabryce zainstalowano pierwszy silnik parowy o mocy 8 KM. za napęd przędzarek, który w 1899 roku został zastąpiony nowym, mocniejszym i nowocześniejszym.

41. Fabryka istniała do 1941 r., następnie produkcja została wstrzymana z powodu wybuchu wojny. Przez czterdzieści dwa lata maszyna służyła zgodnie z przeznaczeniem, jako napęd do maszyn przędzalniczych, a po zakończeniu wojny w latach 1945-1951 służyła jako zapasowe źródło energii elektrycznej, po czym ostatecznie została spisana z bilans przedsiębiorstwa.

42. Podobnie jak wielu jego braci, samochód zostałby wycięty, gdyby nie jeden czynnik. Maszyna ta była pierwszą niemiecką maszyną parową, która odbierała parę rurami z odległej kotłowni. Dodatkowo posiadała system regulacji osi PROELL. Dzięki tym czynnikom samochód otrzymał w 1959 roku status zabytku i stał się muzeum. Niestety wszystkie budynki fabryczne i kotłownia zostały rozebrane w 1992 roku. Ta maszynownia jest jedyną pozostałością dawnej przędzalni.

43. Magiczna estetyka epoki pary!

44. Tabliczka znamionowa na korpusie systemu regulacji osi firmy PROELL. System regulował cut-off - ilość pary, która jest wpuszczana do cylindra. Więcej odcięcia oznacza większą oszczędność, ale mniej mocy.

45. Urządzenia.

46. ​​​​Zgodnie z projektem ten samochód to wielorozprężna maszyna parowa (lub, jak nazywa się je również maszyną zespoloną). W tego typu maszynach para rozprężana jest sekwencyjnie w kilku cylindrach o coraz większej objętości, przechodząc z cylindra do cylindra, co znacznie zwiększa sprawność silnika. Maszyna ta posiada trzy cylindry: na środku ramy znajduje się cylinder wysokociśnieniowy - to do niego doprowadzana była świeża para z kotłowni, następnie po cyklu rozprężania para była podawana do cylindra średniociśnieniowego , który znajduje się po prawej stronie cylindra wysokociśnieniowego.

47. Po zakończeniu prac para z cylindra średniociśnieniowego przeniosła się do cylindra niskie ciśnienie, który widać na tym obrazku, po czym, po zakończeniu ostatniego rozszerzenia, został wypuszczony na zewnątrz przez osobną rurę. W ten sposób osiągnięto najpełniejsze wykorzystanie energii pary.

48. Moc stacjonarna tej jednostki wynosiła 400-450 KM, maksymalna 600 KM.

49. Klucz do naprawy i konserwacji maszyny ma imponujące rozmiary. Pod nim znajdują się liny, za pomocą których ruch obrotowy przenoszony był z koła zamachowego maszyny na przekładnię połączoną z przędzarkami.

50. Bezbłędna estetyka Belle Époque w każdym trybie.

51. Na tym zdjęciu możesz zobaczyć szczegółowo strukturę maszyny. Para rozprężająca się w cylindrze przekazywała energię tłokowi, który z kolei wykonywał ruch translacyjny, przenosząc go na mechanizm korbowo-suwakowy, w którym został przekształcony w obrotowy i przekazany na koło zamachowe i dalej na skrzynię biegów.

52. W przeszłości do silnika parowego podłączono również generator elektryczny, który również zachował się w doskonałym stanie oryginalnym.

53. W przeszłości generator znajdował się w tym miejscu.

54. Mechanizm przenoszenia momentu obrotowego z koła zamachowego na generator.

55. Teraz w miejsce generatora montowany jest silnik elektryczny, za pomocą którego kilka dni w roku wprawiany jest w ruch silnik parowy dla rozrywki publiczności. Co roku w muzeum odbywają się „Dni Pary” – impreza skupiająca amatorów i modelarzy parowozów. W dzisiejszych czasach silnik parowy również jest w ruchu.

56. Oryginalny generator prąd stały jest teraz na uboczu. W przeszłości służył do wytwarzania energii elektrycznej do oświetlenia fabrycznego.

57. Wyprodukowany przez Elektrotechnische & Maschinenfabrik Ernst Walther w Werdau w 1899 r., zgodnie z tabliczką informacyjną, ale oryginalna tabliczka znamionowa nosi rok 1901.

58. Ponieważ byłem jedynym gościem tego dnia w muzeum, nikt mi nie przeszkadzał, żebym sam na sam z samochodem napawał się estetyką tego miejsca. Dodatkowo brak ludzi przyczynił się do otrzymania dobrych zdjęć.

59. Teraz kilka słów o transmisji. Jak widać na tym zdjęciu, powierzchnia koła zamachowego ma 12 rowków linowych, za pomocą których ruch obrotowy koła zamachowego przenoszony jest dalej na elementy transmisyjne.

60. Przekładnia, składająca się z kół o różnych średnicach połączonych wałami, rozprowadzała ruch obrotowy na kilku kondygnacjach budynku fabrycznego, na których znajdowały się maszyny przędzalnicze, napędzane energią przenoszoną za pomocą przekładni z silnika parowego.

61. Zbliżenie na koło zamachowe z rowkami linowymi.

62. Tutaj wyraźnie widać elementy transmisyjne, za pomocą których moment obrotowy był przenoszony na szyb przechodzący pod ziemią i przenoszący ruch obrotowy do budynku fabrycznego sąsiadującego z maszynownią, w której znajdowały się maszyny.

63. Niestety budynek fabryczny nie przetrwał, a za drzwiami, które prowadziły do ​​następnego budynku, teraz jest już tylko pustka.

64. Osobno warto zwrócić uwagę na panel sterowania urządzeniami elektrycznymi, który sam w sobie jest dziełem sztuki.

65. Marmurowa deska w pięknej drewnianej ramie z rzędami dźwigni i umieszczonymi na niej bezpiecznikami, luksusowa latarnia, stylowe sprzęty - Belle Époque w całej okazałości.

66. Dwa ogromne bezpieczniki umieszczone między latarnią a instrumentami robią wrażenie.

67. Bezpieczniki, dźwignie, sterowanie - całość wyposażenia jest estetyczna. Widać, że przy tworzeniu tej tarczy zadbano nie tylko o wygląd.

68. Pod każdą dźwignią i bezpiecznikiem znajduje się „przycisk” z napisem, że ta dźwignia włącza/wyłącza.

69. Splendor techniki Belle Epoque.

70. Na koniec historii wróćmy do samochodu i cieszmy się zachwycającą harmonią i estetyką jego części.

71. Zawory sterujące dla poszczególnych zespołów maszyny.

72. Kroplowniki przeznaczone do smarowania ruchomych części i zespołów maszyny.

73. To urządzenie nazywa się smarowniczką. Z ruchomej części maszyny wprawiane są w ruch ślimaki poruszające tłokiem olejarki, która pompuje olej na powierzchnie trące. Gdy tłok znajdzie się w martwym punkcie, rączka jest cofana poprzez jej obrócenie i cykl się powtarza.

74. Jakie to piękne! Czysta rozkosz!

75. Cylindry maszyny z kolumnami zaworów wlotowych.

76. Więcej puszek po oleju.

77. Klasyczna estetyka steampunkowa.

78. Wałek rozrządu maszyny, który reguluje dopływ pary do cylindrów.

79.

80.

81. Wszystko to jest bardzo piękne! Podczas zwiedzania tej hali turbin otrzymałem ogromny ładunek inspiracji i radosnych emocji.

82. Jeśli los nagle sprowadzi Cię do regionu Zwickau, koniecznie odwiedź to muzeum, nie pożałujesz. Strona internetowa muzeum i współrzędne: 50 ° 43 „58” N 12 ° 22 „25” E

Silnik parowy to silnik cieplny, w którym energia potencjalna rozprężającej się pary jest zamieniana na energię mechaniczną, która jest przekazywana konsumentowi.

Zapoznajmy się z zasadą działania maszyny za pomocą uproszczonego schematu z ryc. 1.

Wewnątrz cylindra 2 znajduje się tłok 10, który może poruszać się tam iz powrotem pod ciśnieniem pary; cylinder ma cztery kanały, które można otwierać i zamykać. Dwa górne kanały doprowadzające parę1 oraz3 połączony rurociągiem z kotłem parowym, a przez nie świeża para może dostać się do cylindra. Przez dwa dolne kroplówki z cylindra odprowadza się 9 i 11 par, które już zakończyły pracę.

Wykres pokazuje moment, w którym kanały 1 i 9 są otwarte, kanały 3 i11 Zamknięte. Dlatego świeża para z kotła przez kanał1 wchodzi do lewej wnęki cylindra i przesuwa tłok w prawo swoim ciśnieniem; w tym czasie para wylotowa jest usuwana przez kanał 9 z prawej wnęki cylindra. W skrajnym prawym położeniu tłoka kanały1 oraz9 zamknięte, a 3 dla wlotu świeżej pary i 11 dla wylotu pary są otwarte, w wyniku czego tłok przesunie się w lewo. Gdy tłok znajduje się w skrajnym lewym położeniu, kanały otwierają się1 a 9 i kanały 3 i 11 są zamknięte i proces jest powtarzany. W ten sposób powstaje prostoliniowy ruch posuwisto-zwrotny tłoka.

Do przekształcenia tego ruchu w ruch obrotowy stosuje się tzw. mechanizm korbowy. Składa się z tłoczyska-4, połączonego z jednej strony z tłokiem, a z drugiej wahliwie za pomocą suwaka (poprzeczki) 5 przesuwającego się pomiędzy prowadnicami równoległymi, z korbowodem 6, który przenosi ruch na wał główny 7 przez kolanko lub korbę 8.

Wielkość momentu obrotowego na wale głównym nie jest stała. Rzeczywiście, siłar skierowane wzdłuż łodygi (ryc. 2) można rozłożyć na dwa składniki:DO skierowane wzdłuż korbowodu, orazn , prostopadłe do płaszczyzny równoleżników prowadzących. Siła N nie ma wpływu na ruch, a jedynie dociska suwak do równoległych prowadnic. ZmuszaćDO jest przenoszony wzdłuż korbowodu i działa na korbę. Tutaj można go ponownie rozłożyć na dwa składniki: wytrzymałośćZ , skierowane wzdłuż promienia korby i dociskające wał do łożysk, a siłaT prostopadle do korby i powodując obrót wału. Wielkość siły T określa się, biorąc pod uwagę trójkąt AKZ. Ponieważ kąt ZAK =? +? wtedy

T = K grzech (? + ?).

Ale z siły trójkąta OCD

K = P / sałata ?

dlatego

T = Psin ( ? + ?) / sałata ? ,

Gdy maszyna pracuje, na jeden obrót wału, kąty? oraz? i siłar stale się zmieniają, a zatem wielkość siły skręcającej (stycznej)T jest również zmienna. Aby uzyskać równomierny obrót wału głównego podczas jednego obrotu, umieszcza się na nim ciężkie koło zamachowe, dzięki czemu bezwładność prędkość kątowa obrót wału. W tych chwilach, kiedy siłaT wzrasta, nie może natychmiast zwiększyć prędkości obrotowej wału, dopóki ruch koła zamachowego nie przyspieszy, co nie następuje natychmiast, ponieważ koło zamachowe ma dużą masę. W tych momentach, gdy praca wykonana przez siłę momentu obrotowegoT , praca sił oporu wytwarzanych przez konsumenta staje się mniejsza, koło zamachowe ponownie, ze względu na swoją bezwładność, nie może natychmiast zmniejszyć swojej prędkości, a oddając energię otrzymywaną podczas jego przyspieszania, pomaga tłokowi w pokonaniu obciążenia.

W skrajnych położeniach tłoka kąty? +? = 0, zatem sin (? +?) = 0, a zatem T = 0. Ponieważ w tych pozycjach nie ma siły obrotowej, gdyby maszyna była bez koła zamachowego, sen musiałby się zatrzymać. Te skrajne położenia tłoka nazywane są pozycjami martwymi lub martwymi punktami. Korba również przechodzi przez nie dzięki bezwładności koła zamachowego.

W martwych pozycjach tłok nie styka się z pokrywami cylindrów, między tłokiem a pokrywą pozostaje tak zwana szkodliwa przestrzeń. Objętość szkodliwej przestrzeni obejmuje również objętość kanałów parowych od rozprowadzających parę do cylindra.

Skok tłokaS nazywana jest ścieżką pokonywaną przez tłok podczas przemieszczania się z jednej skrajnej pozycji do drugiej. Jeżeli odległość od środka wału głównego do środka czopa korby - promień korby - jest oznaczona przez R, to S = 2R.

Objętość robocza cylindra V h nazwany objętością opisaną przez tłok.

Zazwyczaj silniki parowe mają działanie dwustronne (dwustronne) (patrz rys. 1). Czasami stosuje się maszyny jednostronnego działania, w których para wywiera nacisk na tłok tylko od strony pokrywy; druga strona cylindra pozostaje otwarta w takich maszynach.

W zależności od ciśnienia, z jakim para opuszcza cylinder, maszyny dzielą się na wylotowe, jeśli para jest wypuszczana do atmosfery, kondensacyjne, jeśli para wychodzi w skraplaczu (chłodziarce, gdzie utrzymywane jest obniżone ciśnienie) oraz ogrzewanie , w którym para zużyta w maszynie jest wykorzystywana do dowolnego celu (ogrzewanie, suszenie itp.)

Silnik parowy- silnik cieplny spalanie zewnętrzne, zamieniając energię pary na pracę mechaniczną ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka, a następnie na ruch obrotowy wału. W szerszym znaczeniu silnik parowy to dowolny silnik spalinowy, który przetwarza energię pary w pracę mechaniczną.

Poziomy stacjonarny dwucylindrowy silnik parowy do napędu przekładni fabrycznych. Koniec XIX wieku Ekspozycja Muzeum Kultury Przemysłowej. Norymberga

Znaczenie silników parowych

Maszyny parowe były używane jako silnik napędowy w przepompowniach, lokomotywach, na statkach parowych, ciągnikach, samochody parowe i inni Pojazd Oh. Silniki parowe przyczyniły się do powszechnego komercyjnego wykorzystania maszyn w fabrykach i stanowiły podstawę energetyczną rewolucji przemysłowej w XVIII wieku. Później silniki parowe zostały zastąpione silnikami spalinowymi, turbinami parowymi i silnikami elektrycznymi, których sprawność jest wyższa.

Turbiny parowe, formalnie rodzaj silnika parowego, są nadal szeroko stosowane do napędzania generatorów prądu. Około 86% światowej energii elektrycznej wytwarzane jest za pomocą turbin parowych.

Zasada działania

Do napędzania silnika parowego wymagany jest kocioł parowy. Rozprężająca się para naciska na tłok lub na łopatki turbiny parowej, której ruch jest przenoszony na inne części mechaniczne. Jedną z zalet silników spalinowych jest to, że dzięki oddzieleniu kotła od silnika parowego można stosować prawie każdy rodzaj paliwa – od obornika po uran.

Wynalazek i rozwój

Pierwsze znane urządzenie, napędzane parą, opisał w I wieku Heron z Aleksandrii. Para wydobywająca się stycznie z dysz przymocowanych do kuli powodowała, że ​​kula się obracała. Prawdziwa turbina parowa została wynaleziona znacznie później, w średniowiecznym Egipcie, przez arabskiego filozofa, astronoma i inżyniera z XVI-wiecznego Tagi al-Dinome. Zaproponował metodę obracania rożna za pomocą strumienia pary kierowanej na łopatki zamocowane wzdłuż obręczy koła. Podobną maszynę zaproponował w 1629 włoski inżynier Giovanni Branca do obracania cylindrycznego urządzenia kotwiczącego, które z kolei podniosło i uwolniło parę tłuczek w moździerzach. Przepływ pary w tych wczesnych turbinach parowych nie był skoncentrowany, a większość jej energii była rozpraszana we wszystkich kierunkach, co powodowało znaczne straty energii.

Jednak dalszy rozwój silnik parowy wymagał środowiska ekonomicznego, w którym projektanci silników mogliby czerpać korzyści z ich wyników. Takie warunki nie istniały ani w starożytności, ani w średniowieczu, ani w renesansie. Dopiero pod koniec XVII wieku jako pojedyncze ciekawostki powstały maszyny parowe. Pierwszą maszynę stworzył hiszpański wynalazca Yeronimo Ayans de Beaumont, którego wynalazki wpłynęły na patent T. Severiego (patrz niżej). Zasadę działania i użytkowania maszyn parowych opisał również w 1655 r. Anglik Edward Somerset. W 1663 opublikował projekt i zainstalował parowe urządzenie do podnoszenia wody na ścianie Wielkiej Wieży na zamku Raglan (wnęki w murze, w których zainstalowano silnik, były widoczne jeszcze w XIX wieku). Jednak nikt nie chciał ryzykować pieniędzy na tę rewolucyjną nową koncepcję, a silnik parowy pozostał nierozwinięty. Jednym z eksperymentów francuskiego fizyka i wynalazcy Denisa Papina było wytworzenie próżni w zamkniętym cylindrze. W połowie lat 70. XVII wieku w Paryżu współpracował z holenderskim fizykiem Huygensem nad maszyną, która wypychała powietrze z cylindra, eksplodując w nim proch strzelniczy. Widząc niekompletność powstałej przez to próżni, Papen, po przybyciu do Anglii w 1680 roku, stworzył wersję tego samego cylindra, w której otrzymał pełniejszą próżnię za pomocą wrzącej wody, która skondensowała się w cylindrze. W ten sposób był w stanie podnieść ciężar przymocowany do tłoka za pomocą liny przerzuconej przez bloczek. System działał jak model demonstracyjny, ale aby powtórzyć proces, cała aparatura musiała zostać zdemontowana i ponownie złożona. Papen szybko zdał sobie sprawę, że aby zautomatyzować cykl, para musi być produkowana oddzielnie w kotle. Dlatego Papen jest uważany za wynalazcę kotła parowego, co toruje drogę dla silnika parowego Newcomen. Nie zaproponował jednak projektu działającego silnika parowego. Papen zaprojektował również łódź napędzaną reaktywnym kołem, w połączeniu koncepcji Tagi al-Din i Severi; przypisuje się mu także wynalezienie wielu ważne urządzenia takich jak zawór bezpieczeństwa.

Żadne z opisanych urządzeń nie zostało w rzeczywistości wykorzystane jako środek do rozwiązywania pożytecznych problemów. Pierwszym silnikiem parowym użytym do produkcji był „wóz strażacki” zaprojektowany przez angielskiego inżyniera wojskowego Thomasa Severiego w 1698 roku. Severi otrzymał patent na swoje urządzenie w 1698 roku. Była to pompa parowa tłokowa i oczywiście niezbyt wydajna, ponieważ ciepło pary tracone było za każdym razem, gdy zbiornik był chłodzony, i dość niebezpieczna w eksploatacji, ponieważ ze względu na wysokie ciśnienie pary czasami zbiorniki i rurociągi silnika eksplodował. Ponieważ urządzenie to mogło służyć zarówno do obracania kół młyna wodnego, jak i do wypompowywania wody z kopalń, wynalazca nazwał go „przyjacielem górnika”.

Następnie angielski kowal Thomas Newcomen w 1712 r. zademonstrował swoje „ silnik atmosferyczny”. Był to ulepszony silnik parowy Severi, w którym Newcomen znacznie się zmniejszył ciśnienie operacyjne para. Pierwszym zastosowaniem silnika Newcomena było pompowanie wody z głębokiego szybu. W pompie kopalnianej ramię wahacza było połączone z ciągiem, który schodził w głąb kopalni do komory pompy. Ruchy posuwisto-zwrotne przenoszone były na tłok pompy, który dostarczał wodę do góry. To właśnie silnik Newcomena stał się pierwszym silnikiem parowym, który otrzymał szerokie zastosowanie praktyczne, z którym zwyczajowo kojarzy się początek rewolucji przemysłowej w Anglii. Pierwszy w Rosji dwucylindrowy silnik parowy próżniowy został zaprojektowany przez mechanika I.I.Polzunova w 1763 roku i zbudowany w 1764 roku do napędzania miecha w fabrykach Barnauł Kolyvano-Voskresensk. Dalszym wzrostem wydajności było zastosowanie pary wysokociśnieniowej (Amerykanin Oliver Evans i Anglik Richard Trevithick). R. Trevithick z powodzeniem zbudował wysokociśnieniowe przemysłowe silniki jednosuwowe znane jako „silniki Cornish”. Pracowały przy 50 psi, czyli 345 kPa (3,405 atmosfer). Jednak wraz ze wzrostem ciśnienia pojawiło się również duże niebezpieczeństwo wybuchów w maszynach i kotłach, co początkowo prowadziło do licznych wypadków. Z tego punktu widzenia najbardziej ważny element maszyny wysokociśnieniowe miały zawór bezpieczeństwa, który uwalniał nadciśnienie. Niezawodny i bezpieczna operacja rozpoczęła się dopiero od gromadzenia doświadczeń i standaryzacji procedur budowy, eksploatacji i konserwacji sprzętu. Francuski wynalazca Nicholas-Joseph Cugno zademonstrował w 1769 roku pierwszy aktywny samobieżny pojazd parowy: „fardier à vapeur” (wózek parowy). Być może jego wynalazek można uznać za pierwszy samochód. Samobieżny ciągnik parowy okazał się bardzo przydatny jako mobilne źródło energii mechanicznej, które wprawiało w ruch inne maszyny rolnicze: młocarnie, prasy itp. W 1788 r. parowiec zbudowany przez Johna Fitcha wykonywał już regularne usługi na rzeka Delaware między Filadelfią (Pensylwania) a Burlington (stan Nowy Jork). Zabrał na pokład 30 pasażerów i szedł z prędkością 7-8 mil na godzinę. 21 lutego 1804 roku w zakładach Penidarren Steel Works w Merthyr Tydville w Południowej Walii wystawiono pierwszą samobieżną lokomotywę parową, zbudowaną przez Richarda Trevithick.

Silniki parowe tłokowe

Silniki tłokowe wykorzystują energię pary do poruszania tłokiem w zamkniętej komorze lub cylindrze. Ruch posuwisto-zwrotny tłoka można mechanicznie przekształcić w ruch liniowy pompy tłokowe lub w ruchu obrotowym do napędzania wirujących części obrabiarek lub kół pojazdów.

Maszyny próżniowe

Grawerowanie silnika Newcomen. Ten obraz jest skopiowany z rysunku w Kursie filozofii eksperymentalnej Desagliersa, 1744, który jest zmienioną kopią ryciny Henry'ego Beatona z 1717 roku. Prawdopodobnie przedstawia drugi silnik [hoi] Newcomena zainstalowany około 1714 roku w kopalni węgla Gryph w Workshire.

Wczesne silniki parowe były początkowo nazywane „silnikami strażackimi” i „atmosferycznymi” lub „kondensacyjnymi” silnikami Watta. Pracowali dla zasada próżni i dlatego są również znane jako „silniki próżniowe”. Takie maszyny pracowały do ​​napędzania pomp tłokowych, w każdym razie nie ma dowodów na to, że były używane do innych celów. Podczas pracy silnika parowego próżniowego na początku suwu do komory roboczej lub cylindra wpuszczana jest para o niskim ciśnieniu. Zawór wlotowy następnie zamyka się, a para schładza się, kondensując. W silniku Newcomen woda chłodząca jest wtryskiwana bezpośrednio do cylindra, a kondensat spływa do kolektora kondensatu. Powoduje to powstanie próżni w cylindrze. Ciśnienie atmosferyczne w górnej części cylindra naciska na tłok i powoduje jego ruch w dół, czyli skok roboczy.

Tłok jest przymocowany łańcuchem do końca dużego wahacza, który obraca się wokół jego środka. Załadowana pompa jest przykuta łańcuchem do przeciwległego końca wahacza, który pod wpływem działania pompy przyciąga grawitacyjnie tłok do górnej części cylindra. Tak dzieje się odwrotnie. Ciśnienie pary jest niskie i nie może oprzeć się ruchowi tłoka.

Ciągłe chłodzenie i ponowne podgrzewanie cylindra maszyny było bardzo marnotrawne i nieefektywne, jednak te maszyny parowe były w stanie pompować wodę z głębszych głębokości, niż było to możliwe przed ich pojawieniem się. W 1774 roku pojawiła się wersja silnika parowego, stworzona przez firmę Watt we współpracy z Matthew Boultonem, której główną innowacją było wprowadzenie procesu kondensacji do specjalnej oddzielnej komory (skraplacza). Komorę tę umieszczono w łaźni z zimną wodą i połączono z cylindrem rurką zakrytą zaworem. Do komory kondensacyjnej podłączona była specjalna mała pompa próżniowa (prototyp pompy kondensatu), napędzana wahaczem i służąca do usuwania kondensatu ze skraplacza. Utworzony gorąca woda był podawany przez specjalną pompę (prototyp pompy zasilającej) z powrotem do kotła. Kolejną radykalną innowacją było zamknięcie górnego końca cylindra roboczego, w którego górnej części znajdowała się teraz para o niskim ciśnieniu. Ta sama para była obecna w podwójnym płaszczu cylindra, podtrzymując go stała temperatura... Podczas ruchu tłoka w górę, para ta była przekazywana specjalnymi rurami do dolnej części cylindra, aby przy następnym skoku uległa kondensacji. Maszyna faktycznie przestała być „atmosferyczna”, a jej moc zależała teraz od różnicy ciśnień między parą o niskim ciśnieniu a próżnią, którą mogła uzyskać.

wersja silnika parowego stworzona przez Watt

W silniku parowym Newcomen smarowano tłok mała ilość woda lała się na niego z góry, w samochodzie Watta stało się to niemożliwe, ponieważ w górnej części cylindra była teraz para, trzeba było przejść na smarowanie mieszaniną smaru i oleju. Ten sam smar zastosowano w uszczelnieniu olejowym tłoczyska cylindra.

Parowozy próżniowe, mimo oczywistych ograniczeń ich sprawności, były stosunkowo bezpieczne, wykorzystywały parę niskociśnieniową, co było dość zgodne z ogólnie niskim poziomem techniki kotłowej w XVIII wieku. Moc maszyny była ograniczona przez niskie ciśnienie pary, wielkość cylindra, szybkość spalania paliwa i parowania wody w kotle oraz wielkość skraplacza. Maksymalna teoretyczna sprawność była ograniczona stosunkowo małą różnicą temperatur po obu stronach tłoka; to sprawiło, że maszyny próżniowe przeznaczone do użytku przemysłowego były zbyt duże i drogie.

Około 1811 r. Richard Trevithnick musiał ulepszyć maszynę Watta, aby dostosować ją do nowych kotłów Cornish. Ciśnienie pary nad tłokiem osiągnęło 275 kPa (2,8 atmosfery) i to właśnie zapewniło główną moc skoku roboczego; dodatkowo kondensator został znacznie ulepszony. Takie maszyny nazywano maszynami kornwalijskimi i były budowane do lat 90. XIX wieku. Wiele starych samochodów Watt zostało przebudowanych do tego poziomu. Niektóre kornwalijskie samochody były dość duże.

Maszyny parowe wysokociśnieniowe

W silnikach parowych para przepływa z kotła do komory roboczej cylindra, gdzie rozpręża się, wywierając nacisk na tłok i wykonując użyteczna praca... Rozprężona para może być następnie wypuszczana do atmosfery lub wprowadzana do skraplacza. Ważną różnicą między maszynami wysokociśnieniowymi a maszynami próżniowymi jest to, że ciśnienie pary wylotowej przekracza ciśnienie atmosferyczne lub jest mu równe, to znaczy nie powstaje próżnia. Para odlotowa miała zwykle ciśnienie wyższe od atmosferycznego i często była odprowadzana do komina, co pozwalało na zwiększenie ciągu kotła.

Znaczenie zwiększenia ciśnienia pary polega na tym, że staje się ona cieplejsza. Tak więc wysokociśnieniowy silnik parowy pracuje przy większa różnica temperatury niż te, które można osiągnąć w maszynach próżniowych. Po tym, jak maszyny wysokociśnieniowe zastąpiły te próżniowe, stały się podstawą do: dalszy rozwój oraz udoskonalenie wszystkich silników parowych tłokowych. Jednak ciśnienie, które w 1800 r. było uważane za wysokie (275-345 kPa), jest obecnie uważane za bardzo niskie - ciśnienie w nowoczesnych kotłach parowych jest dziesiątki razy wyższe.

Dodatkową zaletą maszyn wysokociśnieniowych jest to, że są one znacznie mniejsze dla danego poziomu mocy, a co za tym idzie znacznie tańsze. Ponadto taki silnik parowy może być na tyle lekki i kompaktowy, że można go stosować w pojazdach. Powstały transport parowy (lokomotywy parowe, parowce) zrewolucjonizował handel i Transport pasażerski, strategia wojskowa i ogólnie wpłynęła na prawie każdy aspekt życia publicznego.

Schemat poziomej jednocylindrowej wysokoprężnej maszyny parowej, dwustronnego działania... Przystawka odbioru mocy realizowana jest przez pasek napędowy:

Maszyny parowe dwustronnego działania

Kolejnym ważnym krokiem w rozwoju wysokociśnieniowych silników parowych było pojawienie się maszyn dwustronnego działania. W maszynach jednokierunkowych tłok poruszał się w jednym kierunku siłą rozprężającej się pary, ale wracał albo pod wpływem grawitacji, albo pod wpływem momentu bezwładności obracającego się koła zamachowego połączonego z silnikiem parowym.

W maszynach parowych dwustronnego działania świeża para jest podawana naprzemiennie po obu stronach cylindra roboczego, natomiast para odlotowa po drugiej stronie cylindra jest odprowadzana do atmosfery lub do skraplacza. Wymagało to stworzenia dość złożonego mechanizmu dystrybucji pary. Zasada dwustronnego działania zwiększa prędkość maszyny i poprawia komfort jazdy.

Tłok takiego silnika parowego jest połączony z prętem ślizgowym wychodzącym z cylindra. Do tego pręta dołączony jest drgający korbowód, który napędza korbę koła zamachowego. System dystrybucji pary jest napędzany przez inny mechanizm korbowy... Mechanizm rozprowadzania pary może mieć funkcję cofania w celu zmiany kierunku obrotu koła zamachowego maszyny.

Silnik parowy dwustronnego działania jest około dwa razy mocniejszy niż konwencjonalny silnik parowy i może również pracować ze znacznie lżejszym kołem zamachowym. Zmniejsza to wagę i koszt maszyn.

Większość parowozów tłokowych wykorzystuje tę właśnie zasadę działania, co wyraźnie widać na przykładzie parowozów. Gdy taka maszyna ma dwa lub więcej cylindrów, korby są przesunięte o 90 stopni, aby zapewnić, że maszyna może zostać uruchomiona w dowolnym położeniu tłoków w cylindrach. Niektóre parowce wiosłowe miały jednocylindrowy silnik parowy dwustronnego działania i musieli uważać, aby koło się nie zatrzymało martwy środek, to znaczy w pozycji, w której uruchomienie maszyny jest niemożliwe.

Silniki parowe były używane jako silniki napędowe w przepompowniach, lokomotywach, statkach parowych, traktorach, wagonach parowych i innych pojazdach. Silniki parowe przyczyniły się do powszechnego komercyjnego wykorzystania maszyn w fabrykach i stanowiły podstawę energetyczną rewolucji przemysłowej w XVIII wieku. Później silniki parowe zostały wyparte przez silniki spalinowe, turbiny parowe, silniki elektryczne i reaktory jądrowe, których sprawność jest wyższa.

Silnik parowy w akcji

Wynalazek i rozwój

Pierwsze znane urządzenie, napędzane parą, opisał Heron z Aleksandrii w I wieku - tak zwana "kąpiel czapli" lub "eolipil". Para wydobywająca się stycznie z dysz przymocowanych do kuli powodowała, że ​​kula się obracała. Zakłada się, że konwersja pary do ruch mechaniczny był znany w Egipcie w okresie panowania rzymskiego i był używany w prostych urządzeniach.

Pierwsze silniki przemysłowe

Żadne z opisanych urządzeń nie zostało w rzeczywistości wykorzystane jako środek do rozwiązywania pożytecznych problemów. Pierwszym silnikiem parowym użytym do produkcji był „wóz strażacki” zaprojektowany przez angielskiego inżyniera wojskowego Thomasa Severy'ego w 1698 roku. Severy otrzymał patent na swoje urządzenie w 1698 roku. Była to pompa parowa tłokowa i oczywiście niezbyt wydajna, ponieważ ciepło pary tracone było za każdym razem, gdy zbiornik był chłodzony, i dość niebezpieczna w eksploatacji, ponieważ ze względu na wysokie ciśnienie pary czasami zbiorniki i rurociągi silnika eksplodował. Ponieważ urządzenie to mogło służyć zarówno do obracania kół młyna wodnego, jak i do wypompowywania wody z kopalń, wynalazca nazwał go „przyjacielem górnika”.

Następnie angielski kowal Thomas Newcomen zademonstrował w 1712 roku swój „silnik atmosferyczny”, który był pierwszą maszyną parową, na którą mogło być zapotrzebowanie komercyjne. Był to ulepszony silnik parowy Severy, w którym Newcomen znacznie obniżył robocze ciśnienie pary. Nowicjusz mógł być oparty na opisie eksperymentów Papena w Royal Society of London, do którego mógł mieć dostęp za pośrednictwem kolegi Roberta Hooke'a, który pracował z Papenem.

Schemat silnika parowego Newcomen.
- Para jest pokazana na fioletowo, woda na niebiesko.
- Pokazano otwarte zawory Zielony, zamknięty - w kolorze czerwonym

Pierwszym zastosowaniem silnika Newcomen było pompowanie wody z głębokiego szybu. W pompie kopalnianej ramię wahacza było połączone z ciągiem, który schodził w głąb kopalni do komory pompy. Ruchy posuwisto-zwrotne przenoszone były na tłok pompy, który dostarczał wodę do góry. Zawory wczesnych silników Newcomen były otwierane i zamykane ręcznie. Pierwszym usprawnieniem była automatyzacja zaworów, które były napędzane przez samą maszynę. Legenda głosi, że to ulepszenie zostało dokonane w 1713 roku przez chłopca Humphreya Pottera, który musiał otwierać i zamykać zawory; kiedy mu się to znudziło, związał korbki zaworami linami i poszedł bawić się z dziećmi. Do 1715 roku stworzono już system sterowania dźwignią, napędzany mechanizmem samego silnika.

Pierwszy w Rosji dwucylindrowy silnik parowy próżniowy został zaprojektowany przez mechanika I.I.Polzunova w 1763 roku i zbudowany w 1764 roku do napędzania miecha w fabrykach Barnauł Kolyvano-Voskresensk.

Humphrey Gainsborough zbudował w latach 60. XVIII wieku model silnika parowego ze skraplaczem. W 1769 roku szkocki mechanik James Watt (prawdopodobnie wykorzystujący pomysły Gainsborougha) opatentował pierwsze znaczące ulepszenia silnika próżniowego Newcomena, które sprawiły, że był on znacznie bardziej oszczędny pod względem zużycia paliwa. Wkład Watta polegał na rozdzieleniu fazy kondensacji silnika próżniowego w oddzielnej komorze, podczas gdy tłok i cylinder znajdowały się w temperaturze pary. Watt dodał kilka innych ważnych szczegółów do silnika Newcomena: umieścił tłok wewnątrz cylindra, aby wyrzucić parę i zamienił ruch posuwisto-zwrotny tłoka na ruch obrotowy koła napędowego.

W oparciu o te patenty Watt zbudował w Birmingham silnik parowy. Do 1782 roku silnik parowy Watta był ponad trzykrotnie większy niż maszyna Newcomena. Poprawa sprawności silnika Watta doprowadziła do wykorzystania energii pary w przemyśle. Ponadto, w przeciwieństwie do silnika Newcomena, silnik Watta umożliwiał przenoszenie ruchu obrotowego, podczas gdy we wczesnych modelach silników parowych tłok był połączony z wahaczem, a nie bezpośrednio z korbowodem. Silnik ten posiadał już podstawowe cechy nowoczesnych parowozów.

Dalszym wzrostem wydajności było zastosowanie pary wysokociśnieniowej (Amerykanin Oliver Evans i Anglik Richard Trevithick). R. Trevithick z powodzeniem zbudował wysokociśnieniowe przemysłowe silniki jednosuwowe znane jako „silniki Cornish”. Pracowały przy 50 psi, czyli 345 kPa (3,405 atmosfer). Jednak wraz ze wzrostem ciśnienia pojawiło się również duże niebezpieczeństwo wybuchów w maszynach i kotłach, co początkowo prowadziło do licznych wypadków. Z tego punktu widzenia najważniejszym elementem maszyny wysokociśnieniowej był zawór bezpieczeństwa, który uwalniał nadciśnienie. Niezawodna i bezpieczna eksploatacja rozpoczęła się dopiero wraz z gromadzeniem doświadczenia i standaryzacją procedur budowy, eksploatacji i konserwacji urządzeń.

Francuski wynalazca Nicholas-Joseph Cugno w 1769 roku zademonstrował pierwszy działający samobieżny pojazd parowy: „fardier à vapeur” (wózek parowy). Być może jego wynalazek można uznać za pierwszy samochód. Samobieżny ciągnik parowy okazał się bardzo przydatny jako mobilne źródło energii mechanicznej, które wprawiało w ruch inne maszyny rolnicze: młocarnie, prasy itp. Już w 1788 r. regularny serwis odbywał parowiec zbudowany przez Johna Fitcha na rzece Delaware między Filadelfią (Pensylwania) a Burlington (stan Nowy Jork). Zabrał na pokład 30 pasażerów i szedł z prędkością 7-8 mil na godzinę. Parowiec J. Fitcha nie odniósł sukcesu komercyjnego, ponieważ z jego trasą konkurowała dobra droga lądowa. W 1802 szkocki inżynier William Symington zbudował konkurencyjny parowiec, aw 1807 amerykański inżynier Robert Fulton użył silnika parowego Watta do napędzania pierwszego komercyjnego parowca. 21 lutego 1804 roku w zakładach Penidarren Steel Works w Merthyr Tydville w Południowej Walii wystawiono pierwszą samobieżną lokomotywę parową, zbudowaną przez Richarda Trevithick.

Silniki parowe tłokowe

Silniki tłokowe wykorzystują energię pary do poruszania tłokiem w zamkniętej komorze lub cylindrze. Ruch posuwisto-zwrotny tłoka można mechanicznie przekształcić w ruch liniowy pomp tłokowych lub w ruch obrotowy napędzający obracające się części obrabiarek lub kół pojazdów.

Maszyny próżniowe

Wczesne silniki parowe były początkowo nazywane „silnikami strażackimi” i „atmosferycznymi” lub „kondensacyjnymi” silnikami Watta. Działały na zasadzie próżni i dlatego znane są również jako „silniki próżniowe”. Takie maszyny pracowały do ​​napędzania pomp tłokowych, w każdym razie nie ma dowodów na to, że były używane do innych celów. Podczas pracy silnika parowego próżniowego na początku suwu do komory roboczej lub cylindra wpuszczana jest para o niskim ciśnieniu. Zawór wlotowy jest następnie zamykany, a para chłodzona i skraplana. W silniku Newcomen woda chłodząca jest wtryskiwana bezpośrednio do cylindra, a kondensat spływa do kolektora kondensatu. Powoduje to powstanie próżni w cylindrze. Ciśnienie atmosferyczne w górnej części cylindra naciska na tłok i powoduje jego ruch w dół, czyli skok roboczy.

Ciągłe chłodzenie i ponowne podgrzewanie cylindra maszyny było bardzo marnotrawne i nieefektywne, jednak te maszyny parowe były w stanie pompować wodę z głębszych głębokości, niż było to możliwe przed ich pojawieniem się. W tym roku pojawiła się wersja silnika parowego, stworzona przez firmę Watt we współpracy z Matthew Boultonem, której główną innowacją było usunięcie procesu kondensacji w specjalnej oddzielnej komorze (skraplacz). Komorę tę umieszczono w łaźni z zimną wodą i połączono z cylindrem rurką zakrytą zaworem. Do komory kondensacyjnej podłączona była specjalna mała pompa próżniowa (prototyp pompy kondensatu), napędzana wahaczem i służąca do usuwania kondensatu ze skraplacza. Powstała gorąca woda była dostarczana przez specjalną pompę (prototyp pompy zasilającej) z powrotem do kotła. Kolejną radykalną innowacją było zamknięcie górnego końca cylindra roboczego, w którego górnej części znajdowała się teraz para o niskim ciśnieniu. Ta sama para była obecna w podwójnym płaszczu cylindra, utrzymując jego stałą temperaturę. Podczas ruchu tłoka w górę, para ta była przekazywana specjalnymi rurami do dolnej części cylindra, aby przy następnym skoku uległa kondensacji. Maszyna faktycznie przestała być „atmosferyczna”, a jej moc zależała teraz od różnicy ciśnień między parą o niskim ciśnieniu a próżnią, którą mogła uzyskać. W silniku parowym Newcomen tłok smarowano niewielką ilością wody, w aucie Watta było to niemożliwe, ponieważ teraz w górnej części cylindra była para, trzeba było przejść na smarowanie mieszanką smaru i oleju. Ten sam smar zastosowano w uszczelnieniu olejowym tłoczyska cylindra.

Parowozy próżniowe, mimo oczywistych ograniczeń ich sprawności, były stosunkowo bezpieczne, wykorzystywały parę niskociśnieniową, co było dość zgodne z ogólnie niskim poziomem techniki kotłowej w XVIII wieku. Moc maszyny była ograniczona przez niskie ciśnienie pary, wielkość cylindra, szybkość spalania paliwa i parowania wody w kotle oraz wielkość skraplacza. Maksymalna teoretyczna sprawność była ograniczona stosunkowo małą różnicą temperatur po obu stronach tłoka; to sprawiło, że maszyny próżniowe przeznaczone do użytku przemysłowego były zbyt duże i drogie.

Kompresja

Otwór wylotowy cylindra silnika parowego zamyka się nieco wcześniej niż tłok osiąga swoje skrajne położenie, co pozostawia część pary wylotowej w cylindrze. Oznacza to, że w cyklu pracy występuje faza sprężania, która tworzy tzw. „poduszkę parową”, która spowalnia ruch tłoka w skrajnych położeniach. Eliminuje również nagły spadek ciśnienia na samym początku fazy ssania, gdy do cylindra dostaje się świeża para.

Osiągnięcie

Opisany efekt „poduszki parowej” jest również wzmocniony przez fakt, że dopływ świeżej pary do cylindra zaczyna się nieco wcześniej niż tłok osiąga położenie końcowe, to znaczy następuje pewien postęp wlotu. Posuw ten jest konieczny, aby przed rozpoczęciem suwu roboczego tłoka pod działaniem świeżej pary para miała czas na wypełnienie martwej przestrzeni powstałej w wyniku poprzedniej fazy, czyli kanałów wlotowo-wylotowych i objętość cylindra, która nie jest używana do ruchu tłoka.

Proste rozszerzenie

Proste rozprężanie zakłada, że ​​para działa tylko wtedy, gdy rozpręża się w cylindrze, a para wylotowa jest wypuszczana bezpośrednio do atmosfery lub wchodzi do specjalnego skraplacza. W tym przypadku ciepło resztkowe pary można wykorzystać na przykład do ogrzewania pomieszczenia lub pojazdu, a także do wstępnego podgrzewania wody wpływającej do kotła.

Pogarszać

Podczas procesu rozprężania w cylindrze maszyny wysokociśnieniowej temperatura pary spada proporcjonalnie do jej rozprężania. Ponieważ w tym przypadku nie ma wymiany ciepła (proces adiabatyczny), okazuje się, że para wchodzi do cylindra z wyższą temperaturą niż wychodzi. Takie zmiany temperatury w cylindrze prowadzą do spadku wydajności procesu.

Jedną z metod radzenia sobie z tą różnicą temperatur zaproponował w 1804 roku angielski inżynier Arthur Wolfe, który opatentował Wysokociśnieniowa maszyna parowa Wolfe... W tej maszynie para o wysokiej temperaturze z kotła parowego była podawana do cylindra wysokociśnieniowego, a następnie para wypuszczana w nim o niższej temperaturze i ciśnieniu wchodziła do cylindra (lub cylindrów) niskociśnieniowego. Zmniejszyło to spadek temperatury w każdym cylindrze, co ogólnie zmniejszyło straty temperatury i poprawiło ogólną sprawność silnika parowego. Para o niskim ciśnieniu miała większą objętość i dlatego wymagała większej objętości cylindra. Dlatego w maszynach mieszanych cylindry niskociśnieniowe miały większą średnicę (a czasem dłuższą) niż cylindry wysokociśnieniowe.

Jest to również znane jako podwójne rozprężanie, ponieważ rozprężanie pary następuje w dwóch etapach. Czasami jeden cylinder wysokociśnieniowy był powiązany z dwoma cylindrami niskociśnieniowymi, w wyniku czego powstały trzy cylindry mniej więcej tej samej wielkości. Ten układ był łatwiejszy do zrównoważenia.

Maszyny do mieszania dwucylindrowe można sklasyfikować jako:

• Związek krzyżowy- Cylindry znajdują się obok siebie, ich przewody parowe są skrzyżowane.
• Mieszanka tandemowa- Cylindry są ułożone szeregowo i używają jednego trzpienia.
• Mieszanka narożna- Cylindry są ustawione pod kątem, zwykle 90 stopni i pracują na jednej korbie.

Po latach 80. XIX wieku parowozy zespolone rozpowszechniły się w produkcji i transporcie i stały się praktycznie jedynym typem używanym na statkach parowych. Ich zastosowanie w lokomotywach parowych nie było tak powszechne, ponieważ okazały się zbyt trudne, po części ze względu na trudne warunki pracy parowozów w transporcie kolejowym. Pomimo tego, że lokomotywy złożone nigdy nie stały się zjawiskiem masowym (zwłaszcza w Wielkiej Brytanii, gdzie były bardzo rzadkie i nie były w ogóle używane po latach 30.), zyskały pewną popularność w kilku krajach.

Wiele rozszerzeń

Uproszczony schemat silnika parowego z potrójnym rozprężaniem.
Para o wysokim ciśnieniu (czerwona) z kotła przechodzi przez maszynę, pozostawiając skraplacz pod niskim ciśnieniem (niebieski).

Logicznym rozwinięciem schematu złożonego było dodanie do niego dodatkowych etapów rozbudowy, co zwiększyło wydajność pracy. W rezultacie powstał schemat wielokrotnego rozszerzenia, znany jako maszyny z potrójnym lub nawet poczwórnym rozszerzeniem. Te silniki parowe wykorzystywały szereg cylindrów dwustronnego działania, których objętość zwiększała się z każdym stopniem. Czasami zamiast zwiększania objętości butli niskociśnieniowych stosowano zwiększenie ich ilości, tak jak w niektórych maszynach zespolonych.

Zdjęcie po prawej pokazuje działanie silnika parowego z potrójnym rozprężaniem. Para przepływa przez samochód od lewej do prawej. Blok zaworowy każdego cylindra znajduje się po lewej stronie odpowiedniego cylindra.

Pojawienie się tego typu silników parowych stało się szczególnie istotne dla floty, ponieważ wymagania dotyczące wielkości i masy dla pojazdów okrętowych nie były zbyt rygorystyczne, a co najważniejsze, taki schemat ułatwił zastosowanie skraplacza, który zwraca parę odpadową w postaci świeżej wody z powrotem do kotła (nie było możliwe użycie słonej wody morskiej do zasilania kotłów). Silniki parowe naziemne zwykle nie miały problemów z zaopatrzeniem w wodę i dlatego mogły odprowadzać parę odpadową do atmosfery. Dlatego taki schemat był dla nich mniej istotny, zwłaszcza biorąc pod uwagę jego złożoność, rozmiar i wagę. Dominacja silników parowych z wielokrotnym rozprężaniem zakończyła się dopiero wraz z pojawieniem się i rozpowszechnieniem turbin parowych. Jednak współczesne turbiny parowe wykorzystują tę samą zasadę podziału przepływu na cylindry wysokiego, średniego i niskiego ciśnienia.

Maszyny parowe z przepływem bezpośrednim

Silniki parowe o przepływie bezpośrednim powstały w wyniku próby przezwyciężenia jednej wady tkwiącej w silniki parowe z tradycyjną dystrybucją pary. Faktem jest, że para w konwencjonalnym silniku parowym stale zmienia kierunek ruchu, ponieważ to samo okno po każdej stronie cylindra służy zarówno do wlotu, jak i wylotu pary. Gdy para wylotowa opuszcza cylinder, chłodzi ściany i kanały dystrybucji pary. W związku z tym świeża para zużywa pewną część energii na ich ogrzewanie, co prowadzi do spadku wydajności. Silniki parowe o przepływie bezpośrednim posiadają dodatkowe okienko, które na końcu każdej fazy otwierane jest przez tłok i przez które para opuszcza cylinder. Zwiększa to wydajność maszyny, ponieważ para porusza się w jednym kierunku, a gradient temperatury ścianek cylindra pozostaje mniej więcej stały. Maszyny proste maszyny z pojedynczym rozprężaniem wykazują w przybliżeniu taką samą wydajność jak maszyny mieszające z konwencjonalną dystrybucją pary. Ponadto mogą pracować na więcej wysokie obroty, a zatem przed pojawieniem się turbin parowych były one często wykorzystywane do napędzania generatorów prądu, które wymagają dużych prędkości obrotowych.

Silniki parowe o przepływie bezpośrednim są dostępne zarówno w wersji pojedynczego, jak i podwójnego działania.

Turbiny parowe

Turbina parowa to szereg obracających się tarcz zamontowanych na jednej osi, zwanych wirnikiem turbiny, oraz szereg naprzemiennych nieruchomych dysków zamocowanych na podstawie, zwanych stojanem. Tarcze wirnika mają włączone łopatki na zewnątrz, para jest dostarczana do tych ostrzy i obraca dyski. Tarcze stojana mają podobne łopatki, ustawione pod przeciwnym kątem, które służą do przekierowania strumienia pary na kolejne tarcze wirnika. Każda tarcza wirnika i odpowiadająca jej tarcza stojana nazywane są stopniem turbiny. Ilość i wielkość stopni każdej turbiny dobierane są w taki sposób, aby maksymalnie wykorzystać użyteczną energię pary przy tej samej prędkości i ciśnieniu, jakie jest do niej dostarczane. Para wylotowa opuszczająca turbinę dostaje się do skraplacza. Turbiny obracają się z bardzo wysoka prędkość, a zatem przy przenoszeniu rotacji na inny sprzęt zwykle stosuje się specjalne przekładnie redukcyjne. Ponadto turbiny nie mogą zmienić kierunku obrotów i często wymagają: mechanizmy uzupełniające wsteczny (czasami stosowane są dodatkowe stopnie rotacji wstecznej).

Turbiny przetwarzają energię pary bezpośrednio na ruch obrotowy i nie wymagają dodatkowych mechanizmów do zamiany ruchu posuwisto-zwrotnego na ruch obrotowy. Ponadto turbiny są bardziej kompaktowe niż maszyny tłokowe i mają stałą siłę na wale wyjściowym. Ponieważ turbiny są prostsze w konstrukcji, zazwyczaj wymagają mniej konserwacji.

Inne typy silników parowych

Podanie

Maszyny parowe można sklasyfikować według ich zastosowania w następujący sposób:

Maszyny stacjonarne

Młot parowy

Parowóz w starej cukrowni na Kubie

Stacjonarne maszyny parowe można podzielić na dwa typy w zależności od sposobu użytkowania:

• Maszyny o zmiennym obciążeniu, które obejmują walcarki, wciągarki parowe i podobne urządzenia, które muszą często się zatrzymywać i zmieniać kierunek obrotów.
• Maszyny napędzane, które rzadko się zatrzymują i nie powinny zmieniać kierunku obrotów. Należą do nich silniki napędowe w elektrowniach, a także silniki przemysłowe stosowane w fabrykach, fabrykach i kolejach linowych przed powszechnym zastosowaniem trakcji elektrycznej. Silniki niska moc stosowany w modelach statków i urządzeniach specjalnych.

Wciągarka parowa jest zasadniczo silnikiem stacjonarnym, ale jest zamontowana na ramie podstawy, dzięki czemu można ją przesuwać. Można go przymocować linką do kotwicy i przenieść własnym ciągiem w nowe miejsce.

Maszyny transportowe

Do jazdy używano maszyn parowych różne rodzaje pojazdy, a wśród nich:

• Pojazdy lądowe:
  • Samochód parowy
  • Ciągnik parowy
  • Koparka parowa, a nawet
• Samolot parowy.

W Rosji pierwsza działająca lokomotywa parowa została zbudowana przez E.A. i M.E. Cherepanov w fabryce Niżne-Tagil w 1834 roku do transportu rudy. Rozwijał prędkość 13 wiorst na godzinę i przewoził ponad 200 pudów (3,2 tony) ładunku. Długość pierwszej linii kolejowej wynosiła 850 m.

Zalety silników parowych

Główną zaletą silników parowych jest to, że mogą wykorzystać prawie każde źródło ciepła do przekształcenia go w pracę mechaniczną. To odróżnia je od silników spalinowych, których każdy rodzaj wymaga zastosowania określonego rodzaju paliwa. Ta zaleta jest najbardziej zauważalna przy wykorzystaniu energii jądrowej, ponieważ reaktor jądrowy nie jest w stanie generować energii mechanicznej, a jedynie wytwarza ciepło, które jest wykorzystywane do wytwarzania pary napędzającej silniki parowe (zwykle turbiny parowe). Ponadto istnieją inne źródła ciepła, których nie można stosować w silnikach spalinowych, takie jak: energia słoneczna... Ciekawym kierunkiem jest wykorzystanie energii różnicy temperatur Oceanu Światowego na różnych głębokościach.

Inne typy silników spalinowych, takie jak silnik Stirlinga, również mają podobne właściwości, które mogą zapewnić bardzo wysoką sprawność, ale są znacznie większe pod względem masy i rozmiarów niż współczesne typy silników parowych.

Lokomotywy parowe dobrze radzą sobie na dużych wysokościach, ponieważ ich sprawność nie zmniejsza się z powodu niskiego ciśnienia atmosferycznego. Lokomotywy parowe są nadal używane w górzystych regionach Ameryki Łacińskiej, mimo że na terenach płaskich od dawna są zastępowane przez więcej nowoczesne typy lokomotywy.

W Szwajcarii (Brienz Rothhorn) i Austrii (Schafberg Bahn) nowe lokomotywy parowe dowiodły swojej wartości. Ten typ lokomotywy parowej został opracowany na podstawie modeli Swiss Locomotive and Machine Works (SLM), z wieloma nowoczesnymi ulepszeniami, takimi jak zastosowanie łożyska wałeczkowe, nowoczesna izolacja termiczna, spalanie lekkich frakcji ropy naftowej jako paliwa, ulepszone rurociągi parowe itp. W rezultacie lokomotywy te charakteryzują się o 60% niższym zużyciem paliwa i znacznie niższymi wymaganiami konserwacyjnymi. Walory ekonomiczne takich lokomotyw są porównywalne z nowoczesnymi lokomotywami spalinowymi i elektrycznymi.

Ponadto lokomotywy parowe są znacznie lżejsze od spalinowych i elektrycznych, co jest szczególnie ważne w górnictwie szyny kolejowe... Cechą silników parowych jest to, że nie potrzebują przekładni, przenoszącej moc bezpośrednio na koła.

Efektywność

Współczynnik wydajności (COP) silnik cieplny można określić jako stosunek użytecznej pracy mechanicznej do zużytej ilości ciepła zawartego w paliwie. Reszta energii jest uwalniana w środowisko w postaci ciepła. Wydajność termiczna samochód jest równy