Ceea ce a influențat dezvoltarea mașinii cu abur. Istoria invenției motoarelor cu abur

Motorul cu abur a fost primul motor mecanic, pentru care exista un larg uz practic... Primele motoare cu abur cu piston au fost utilizate pentru prima dată în producția din fabrică, iar mai târziu au putut fi conectate la roți și au putut să obțină mașini autopropulsate:

• aburi;
• locomotive cu abur;
• tractoare;
• mașini.

Istoria invenției motorului cu abur

Principiul de bază al acțiunii este oricare motor cu aburi constă în faptul că energia aburului fierbinte este transformată în energie mecanică, care poate fi:

• reciproc;
• rotativ.

Iar energia mecanică rezultată poate fi deja folosită în scopuri utile. Principiul funcționării mașinii cu abur era deja înțeles de grecii antici, dar în evul întuneric oamenii au uitat cu fermitate de el. Interesul pentru această problemă a fost reînviat abia în secolul al XVII-lea. Italianul Giovanni Branca a propus în 1629 un model al propriei turbine cu abur. Dar din cauza pierderilor de energie inacceptabil de mari, acest prim motor cu abur din lume nu și-a găsit aplicație practică.

Acest francez este medic de pregătire, s-a mutat în Anglia în 1675, unde a fost remarcat pentru o serie de invenții. Așadar, el a inventat „boilerul lui Papa” - prototipul centralei duble moderne. Papen a putut observa relația dintre creșterea presiunii și punctul de fierbere al unui lichid. A reușit să construiască un cazan etanș, unde a fost susținut tensiune arterială crescută... Ca urmare, apa din ea a fiert la temperatură ridicată, și a devenit posibil să gătiți alimente la temperaturi de peste 100 de grade, ceea ce a accelerat procesul de gătire.

În ajunul mutării la Foggy Albion, Papen a inventat motorul cu pulbere. Praful de pușcă care ardea în cilindru a împins pistonul. Gazele pulbere rezultate au fost îndepărtate prin supapă, iar cele rămase s-au răcit, datorită căruia a apărut un ușor vid în cilindru, iar presiunea atmosferică a readus pistonul la locul său.

Pe un principiu similar, Papen a creat în 1698 motor similar, dar deja pe apă. A fost de fapt primul motor cu abur.

În ciuda faptului că ideea în sine promitea beneficii considerabile, nu a adus dividende autorului său. Cert este că puțin mai devreme, Severy (un mecanic englez) și-a patentat pompa de abur, care era la acea vreme singura modalitate de a folosi un motor cu abur. S-a întâmplat ca inventatorul primei mașini cu abur, Denis Papin, să moară în 1714 la Londra, fiind sărac și singur.

mașina lui Thomas Newcomen

Acest englez întreprinzător a reușit să obțină profituri mari. Avea 35 de ani când a fost creată mașina Papen. Newcomen a studiat cu atenție moștenirea lui Papen și Severy și a remarcat deficiențele ambelor modele și a adoptat idei puternice. Cooperând cu specialistul în instalații sanitare și sticlă D. Callie, Newcomen și-a creat primul model până în 1712, continuând istoria creării motoarelor cu abur. A ei lucru de principiu arata asa:

• designul avea un cilindru vertical cu piston (de la Papen);
• aburul era generat într-un cazan separat, care funcționa după principiul invenției lui Savery;
• etanşeitate cilindru de abur asigurată de o piele etanșă la piston.

Prin creșterea presiunii, dispozitivul lui Newcomen a ridicat apa din mine. Dar era foarte voluminos și extrem de vorace pentru cărbune. Dar aceste neajunsuri nu au împiedicat jumătate de secol de exploatare a acestei invenții în mine. Datorită lui, a devenit posibilă reînvierea minelor abandonate anterior din cauza inundațiilor de către apele subterane. Dar, din moment ce mașina lui era o compilație de invenții timpurii, Newcomen nu a putut obține un brevet pentru ea.

mașina lui Watt

Pasul decisiv a fost făcut de britanicul James Watt, datorită eforturilor căruia a apărut un prim motor cu abur cu piston suficient de puternic și compact. Ca mecanic la Universitatea din Glasgow, Watt a început să repare motorul cu abur al lui Newcomen în 1763. În procesul de reparație, el a venit cu o modalitate de a-i reduce lăcomia - cilindrul ei trebuia ținut la cald.

Dar tot era necesar să se rezolve problema condensului aburului. Înțelese soluția în timp ce trecea pe lângă spălătorii, de unde se revărsa aburi de sub capacele cazanului. Și-a dat seama că aburul este un gaz care ar trebui injectat într-un cilindru cu o presiune redusă. El a realizat etanșeitatea sistemului piston-cilindru înfășurându-l pe primul cu frânghie de cânepă unsă, după care a devenit posibil eșec de la presiunea atmosferică - un pas înainte vizibil.

În 1769, Watt a brevetat un motor cu abur în care temperatura aburului și a celor mai importante părți era aceeași.

Primul videoclip cu motor cu aburi al lui James Watt

Dar în viață, Watt a fost mai puțin norocos și a trebuit să ipotecheze brevetul pentru datorii. După 3 ani, a cunoscut un industrial bogat Matthew Bolton, care și-a cumpărat brevetele pentru Watt. Sub îngrijirea lui, Watt s-a întors la muncă. Deja în 1773, noul model de testare al lui Watt a demonstrat un consum mult mai mic de cărbune decât predecesorii săi. Și un an mai târziu, Anglia a început producția industrială a mașinilor lui Watt. În 1781, Watt a brevetat un motor cu abur care alimenta mașini industriale. Puțin mai târziu, aceleași tehnologii au început să fie folosite pentru deplasarea navelor cu aburi și a trenurilor, care avea să devină o adevărată revoluție tehnică.

Nu suntem mai puțin dragi lui Ivan Polzunov - inventatorul rus al primului motor cu abur, care era capabil să opereze multe mecanisme de lucru. Mai mult, a făcut această invenție înainte de White - în 1763, în timp ce lucra la uzinele miniere din Altai. Și-a prezentat proiectul șefului fabricilor și a primit de la capitală aprobarea pentru asamblarea unității. Polzunov a primit ordin să construiască o mașină mare.

Această lucrare a durat 21 de luni, dar când a fost aproape gata, inventatorul care era bolnav de consum a murit, nici măcar cu câteva zile înainte de primele sale teste. Motorul cu abur al lui Polzunov ar putea funcționa continuu și în mod automat... Acest lucru a fost dovedit în urma testelor efectuate în 1766 de studenții lui Polzunov. O lună mai târziu, mașina începuse deja să funcționeze, nu numai că și-a recuperat toate costurile creării, dar a adus și profit proprietarilor.

Cine crezi că poate fi numit primul inventator al mașinii cu abur? Povestește-ne despre asta în

Voi sări peste inspecția expoziției muzeului și voi merge direct în camera turbinelor. Oricine este interesat poate găsi versiunea completă a postării în LJ-ul meu. Sala mașinilor este situată în această clădire:

29. Intrând înăuntru, eram fără suflare de încântare - înăuntrul holului era cea mai frumoasă mașină cu abur dintre toate cele pe care le-am văzut vreodată. A fost un adevărat templu steampunk - un loc sacru pentru toți adepții esteticii erei aburului. Am fost uimit de ceea ce am văzut și mi-am dat seama că nu degeaba am intrat cu mașina în acest oraș și am vizitat acest muzeu.

30. Pe lângă uriașul motor cu abur, care este principalul obiect al muzeului, aici au fost expuse și diverse exemple de mașini cu abur mai mici, iar istoria tehnologiei cu abur a fost povestită pe numeroase standuri de informare. În această imagine puteți vedea un motor cu abur complet funcțional cu 12 CP.

31. Mână pentru cântar. Mașina a fost creată în 1920.

32. Un compresor din 1940 este expus lângă obiectul principal al muzeului.

33. Acest compresor era folosit în trecut în atelierele de cale ferată din Gara Werdau.

34. Ei bine, acum să aruncăm o privire mai atentă la expoziția centrală a expoziției muzeului - un motor cu abur de 600 de cai putere produs în 1899, căruia îi va fi dedicată a doua jumătate a acestei postări.

35. Mașina cu abur este un simbol al revoluției industriale care a avut loc în Europa la sfârșitul secolului al XVIII-lea - începutul secolului al XIX-lea. Deși primele mostre de mașini cu abur au fost create de diverși inventatori la începutul secolului al XVIII-lea, toate nu erau potrivite pentru uz industrial, deoarece prezentau o serie de dezavantaje. Utilizarea masivă a motoarelor cu abur în industrie a devenit posibilă numai după ce inventatorul scoțian James Watt a îmbunătățit mecanismul mașinii cu abur, făcându-l ușor de operat, sigur și de cinci ori mai puternic decât modelele anterioare.

36. James Watt și-a brevetat invenția în 1775 și deja în anii 1880 motoarele sale cu abur au început să pătrundă în fabrici, devenind un catalizator al revoluției industriale. Acest lucru s-a întâmplat în primul rând pentru că James Watt a reușit să creeze un mecanism pentru transformarea mișcării de translație a unui motor cu abur în rotație. Toate motoarele cu abur care existau înainte puteau produce doar mișcări de translație și puteau fi folosite doar ca pompe. Iar invenția lui Watt putea deja să rotească roata unei mori sau acționarea mașinilor din fabrică.

37. În 1800, firma lui Watt și partenerul său Bolton au produs 496 de motoare cu abur, dintre care doar 164 au fost folosite ca pompe. Și deja în 1810 în Anglia existau 5 mii de mașini cu abur, iar acest număr s-a triplat în următorii 15 ani. În 1790, prima barcă cu abur, care transporta până la treizeci de pasageri, a început să circule între Philadelphia și Burlington din Statele Unite, iar în 1804 Richard Trevintik a construit prima locomotivă cu abur funcțională. A început epoca mașinilor cu abur, care a durat tot secolul al XIX-lea, și pe calea ferată și prima jumătate a secolului al XX-lea.

38. A fost scurt referință istorică, acum să revenim la obiectul principal al expoziției muzeale. Motorul cu abur prezentat în imagini a fost fabricat de Zwikauer Maschinenfabrik AG în 1899 și instalat în sala de mașini a filaturii „C.F.Schmelzer und Sohn”. Motorul cu abur a fost destinat să conducă mașinile de filat și a fost folosit în acest rol până în 1941.

39. Plăcuță de identificare elegantă. La acea vreme, tehnologia industrială era realizată cu mare atenție aspectului estetic și stilului, nu numai funcționalitatea era importantă, ci și frumusețea, care se reflectă în fiecare detaliu al acestei mașini. La începutul secolului al XX-lea, nimeni nu și-a cumpărat echipamente urâte.

40. Filatura „C.F.Schmelzer und Sohn” a fost fondată în anul 1820 pe locul actualului muzeu. Deja în 1841, în fabrică a fost instalat primul motor cu abur cu o capacitate de 8 CP. pentru acționarea mașinilor de filat, care în 1899 a fost înlocuită cu una nouă, mai puternică și modernă.

41. Fabrica a existat până în 1941, apoi producția a fost oprită din cauza izbucnirii războiului. În toți cei patruzeci și doi de ani, mașina a fost folosită în scopul propus, ca motor pentru mașini de filat, iar după sfârșitul războiului în 1945 - 1951 a servit ca sursă de rezervă de energie electrică, după care a fost în cele din urmă eliminată din bilantul intreprinderii.

42. La fel ca mulți dintre frații ei, mașina ar fi fost tăiată, dacă nu pentru un singur factor. Această mașină a fost primul motor cu abur german care a primit abur prin conducte de la o centrală îndepărtată. În plus, dispunea de un sistem de reglare a axei PROELL. Datorită acestor factori, mașina a primit statutul de monument istoric în 1959 și a devenit muzeu. Din păcate, toate clădirile fabricii și cazanul au fost demolate în 1992. Această cameră de mașini este singurul lucru rămas din fosta filătură.

43. Estetica magică a erei aburului!

44. Plăcuță de identificare pe corpul sistemului de reglare a axelor de la PROELL. Sistemul a reglat cutoff - cantitatea de abur care este admisă în cilindru. Mai multă întrerupere înseamnă mai multă economie, dar mai puțină putere.

45. Dispozitive.

46. ​​Prin proiectare mașina asta este o mașină cu abur cu expansiune multiplă (sau așa cum sunt numite și o mașină compusă). La mașinile de acest tip, aburul se extinde secvențial în mai mulți cilindri de volum crescător, trecând de la cilindru la cilindru, ceea ce crește semnificativ eficiența motorului. Această mașină are trei cilindri: în centrul cadrului se află un cilindru de înaltă presiune - în el a fost furnizat abur proaspăt din camera cazanului, apoi după un ciclu de expansiune, aburul a fost ocolit într-un cilindru de presiune medie. , care se află în dreapta cilindrului de înaltă presiune.

47. După finalizarea lucrării, aburul din cilindrul de medie presiune s-a mutat în cilindru presiune scăzută, pe care îl vedeți în această imagine, după care, după ce a finalizat ultima expansiune, a fost eliberat spre exterior printr-o țeavă separată. În acest fel, s-a realizat cea mai completă utilizare a energiei aburului.

48. Puterea staționară a acestei unități a fost de 400-450 CP, maxim 600 CP.

49. Cheia pentru repararea și întreținerea mașinii este impresionantă ca dimensiuni. Sub el se află frânghiile, cu ajutorul cărora mișcarea de rotație era transmisă de la volantul mașinii la o transmisie conectată la mașinile de filat.

50. Estetică impecabilă Belle Époque în fiecare roată.

51. În această imagine, puteți vedea în detaliu structura mașinii. Aburul care se extinde în cilindru a transmis energie pistonului, care la rândul său a efectuat mișcare de translație, transferându-l la mecanismul manivelă-glider, în care a fost transformat în rotație și transmis la volant și mai departe la transmisie.

52. În trecut, la motorul cu abur era conectat și un generator electric, care se păstrează și în stare originală excelentă.

53. În trecut, generatorul era amplasat în această locație.

54. Mecanism de transfer al cuplului de la volant la generator.

55. Pe locul generatorului a fost instalat acum un motor electric, cu ajutorul căruia se pune în mișcare un motor cu abur pentru amuzamentul publicului în câteva zile pe an. În fiecare an muzeul găzduiește „Zilele aburului” – un eveniment care reunește amatori și modelatori de motoare cu abur. Motorul cu abur este și el în mișcare în aceste zile.

56. Generator original curentul continuu este acum pe margine. În trecut, era folosit pentru a genera energie electrică pentru iluminatul fabricii.

57. Produs de Elektrotechnische & Maschinenfabrik Ernst Walther din Werdau în 1899, conform plăcuței informative, dar plăcuța originală poartă anul 1901.

58. Întrucât eram singurul vizitator al muzeului în acea zi, nimeni nu m-a deranjat să mă bucur de estetica acestui loc unul la unu cu mașina. În plus, lipsa oamenilor a contribuit la obținerea unor fotografii bune.

59. Acum câteva cuvinte despre transmisie. După cum puteți vedea în această imagine, suprafața volantului are 12 caneluri pentru cablu, cu ajutorul cărora mișcarea de rotație a volantului este transmisă în continuare elementelor de transmisie.

60. O transmisie, formată din roți de diferite diametre legate prin arbori, distribuia mișcarea de rotație pe mai multe etaje ale clădirii fabricii, pe care erau amplasate mașini de filat, propulsate de energia transmisă prin intermediul unei transmisii de la o mașină cu abur.

61. Volant cu caneluri pentru frânghie de aproape.

62. Aici sunt vizibile clar elementele de transmisie, cu ajutorul cărora se transmitea cuplul la arborele care trecea în subteran și transmitea mișcarea de rotație către clădirea fabricii adiacentă sălii mașinilor, în care se aflau mașinile.

63. Din păcate, clădirea fabricii nu a supraviețuit, iar în spatele ușii care ducea la clădirea alăturată, acum este doar gol.

64. Separat, este de remarcat panoul de control al echipamentului electric, care în sine este o operă de artă.

65. Placă de marmură într-un cadru frumos din lemn cu șiruri de pârghii și siguranțe situate pe ea, un felinar de lux, aparate elegante - Belle Époque în toată gloria.

66. Două siguranțe uriașe situate între lanternă și instrumente sunt impresionante.

67. Siguranțe, pârghii, comenzi - toate echipamentele sunt plăcute din punct de vedere estetic. Se poate observa că la crearea acestui scut, aspectul a fost îngrijit nu în ultimul rând.

68. Sub fiecare pârghie și siguranță există un „buton” cu o inscripție că această pârghie pornește/oprește.

69. Splendoarea tehnicii Belle Epoque.

70. La sfârșitul poveștii, să ne întoarcem la mașină și să ne bucurăm de armonia încântătoare și de estetica pieselor sale.

71. Supape de control pentru unitățile individuale ale mașinii.

72. Nipluri de picurare concepute pentru lubrifierea pieselor și ansamblurilor mobile ale mașinii.

73. Acest dispozitiv se numește niplu de unsoare. Din partea în mișcare a mașinii, viermii sunt pusi în mișcare, mișcând pistonul uleiului și pompează ulei pe suprafețele de frecare. După ce pistonul ajunge la punctul mort, mânerul este ridicat înapoi prin rotire și ciclul se repetă.

74. Ce frumos este! Încântare pură!

75. Cilindri ai mașinii cu coloane de supape de admisie.

76. Mai multe bidoane de ulei.

77. Estetica steampunk clasică.

78. Arborele cu came al mașinii, care reglează alimentarea cu abur la cilindri.

79.

80.

81. Toate acestea sunt foarte, foarte frumoase! Am primit un impuls uriaș de inspirație și emoții vesele în timp ce vizitam această cameră de mașini.

82. Dacă soarta te aduce brusc în regiunea Zwickau, nu uitați să vizitați acest muzeu, nu veți regreta. Site-ul muzeului și coordonatele: 50 ° 43 "58" N 12 ° 22 "25" E

Un motor cu abur este un motor termic în care energia potențială a aburului în expansiune este convertită în energie mecanică dată consumatorului.

Să ne familiarizăm cu principiul de funcționare al mașinii folosind diagrama simplificată din Fig. unu.

În interiorul cilindrului 2 există un piston 10, care se poate mișca înainte și înapoi sub presiunea aburului; cilindrul are patru canale care pot fi deschise și închise. Două conducte superioare de alimentare cu abur1 și3 conectate printr-o conductă la cazanul de abur, iar prin acestea pot pătrunde abur proaspăt în cilindru. Prin cele două picături inferioare sunt evacuate din cilindru 9 și 11 perechi, care au finalizat deja lucrarea.

Diagrama arată momentul în care canalele 1 și 9 sunt deschise, canalele 3 și11 închis. Prin urmare, abur proaspăt de la cazan prin canal1 intră în cavitatea stângă a cilindrului și mută pistonul spre dreapta cu presiunea acestuia; în acest moment, aburul de evacuare este îndepărtat prin canalul 9 din cavitatea dreaptă a cilindrului. În poziția extremă dreaptă a pistonului, canalele1 și9 închis, iar 3 pentru intrarea aburului proaspăt și 11 pentru evacuarea aburului sunt deschise, drept urmare pistonul se va deplasa spre stânga. Când pistonul este în poziția extremă din stânga, canalele se deschid1 și 9 și canalele 3 și 11 sunt închise și procesul se repetă. Astfel, se creează o mișcare alternativă rectilinie a pistonului.

Pentru a transforma această mișcare în rotație, se folosește un așa-numit mecanism manivelă. Este alcătuit dintr-o tijă de piston-4, conectată cu un capăt la piston, iar celălalt pivotant, prin intermediul unui glisor (traversă) 5 care culisează între paralelele de ghidare, cu o tijă de legătură 6, care transmite mișcarea arborelui principal. 7 prin cotul sau manivela 8.

Mărimea cuplului pe arborele principal nu este constantă. Într-adevăr, putereaR direcționat de-a lungul tulpinii (Fig. 2) poate fi descompus în două componente:LA îndreptată de-a lungul bielei șiN , perpendicular pe planul paralelelor de ghidare. Forța N nu are efect asupra mișcării, ci doar apasă cursorul pe paralelele de ghidare. PutereLA se transmite de-a lungul bielei si actioneaza asupra manivelei. Aici poate fi din nou descompus în două componente: rezistențăZ , îndreptată de-a lungul razei manivelei și apăsând arborele pe lagăre, și forțaT perpendicular pe manivelă și determinând rotirea arborelui. Mărimea forței T se determină luând în considerare triunghiul AKZ. Deoarece unghiul ZAK =? +? atunci

T = K păcat (? + ?).

Dar din puterea triunghiului OCD

K = P / cos ?

De aceea

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

Când mașina funcționează pentru o rotație a arborelui, unghiurile? și? și putereR sunt în continuă schimbare și, prin urmare, amploarea forței de răsucire (tangențială).T este de asemenea variabilă. Pentru a crea o rotație uniformă a arborelui principal în timpul unei revoluții, pe acesta este plasată o roată grea de volantă, datorită inerției căreia o constantă viteză unghiulară rotația arborelui. În acele momente când putereaT crește, nu poate crește imediat viteza de rotație a arborelui până când mișcarea volantului se accelerează, ceea ce nu se întâmplă instantaneu, deoarece volantul are o masă mare. În acele momente când munca făcută de cuplulT , munca forțelor de rezistență create de consumator devine mai mică, volantul, din nou datorită inerției sale, nu își poate reduce imediat viteza și, renunțând la energia primită în timpul accelerației sale, ajută pistonul să depășească sarcina.

La pozițiile extreme ale pistonului, unghiurile? +? = 0, deci sin (? +?) = 0 și, prin urmare, T = 0. Deoarece nu există forță de rotație în aceste poziții, dacă mașina ar fi fără volant, somnul ar trebui să se oprească. Aceste poziții extreme ale pistonului sunt numite poziții moarte sau puncte moarte. Prin ele trece și manivela datorită inerției volantului.

În pozițiile moarte, pistonul nu este adus în contact cu capacele cilindrilor; între piston și capac rămâne un așa-numit spațiu dăunător. Volumul spațiului dăunător include și volumul canalelor de abur de la corpurile de distribuție a aburului la cilindru.

Cursa pistonuluiS se numeste calea parcursa de piston la trecerea dintr-o pozitie extrema in alta. Dacă distanța de la centrul arborelui principal până la centrul știftului manivelei - raza manivelei - este notă cu R, atunci S = 2R.

Volumul de lucru al cilindrului V h numit volumul descris de piston.

De obicei, motoarele cu abur au acțiune dublă (față dublă) (vezi Fig. 1). Uneori se folosesc mașini cu acțiune simplă, în care aburul exercită presiune asupra pistonului doar din partea laterală a capacului; cealaltă parte a cilindrului rămâne deschisă la astfel de mașini.

În funcție de presiunea cu care aburul iese din cilindru, mașinile se împart în evacuare, dacă aburul este eliberat în atmosferă, în condensare, dacă aburul iese în condensator (frigider, unde se menține presiunea redusă), și încălzire, în care se folosește aburul cheltuit în mașină, în orice scop (încălzire, uscare etc.)

Motor cu aburi- motor termic ardere externă, transformând energia aburului în lucrul mecanic al mișcării alternative a pistonului și apoi în mișcarea de rotație a arborelui. Într-un sens mai larg, un motor cu abur este orice motor cu ardere externă care transformă energia aburului în lucru mecanic.

Motor cu abur staționar orizontal cu doi cilindri pentru a conduce transmisiile din fabrică. Sfârșitul secolului al XIX-lea Expoziție a Muzeului Culturii Industriale. Nürnberg

Importanța motoarelor cu abur

Au fost folosite mașini cu abur ca motorul de antrenareîn stații de pompare, locomotive, pe nave cu abur, tractoare, mașini cu abur si altii Vehicul Oh. Motoarele cu abur au contribuit la utilizarea comercială pe scară largă a mașinilor în fabrici și au oferit baza energetică pentru revoluția industrială din secolul al XVIII-lea. Mai târziu, motoarele cu abur au fost înlocuite de motoare cu ardere internă, turbine cu abur și motoare electrice, a căror eficiență este mai mare.

Turbinele cu abur, formal un tip de motor cu abur, sunt încă utilizate pe scară largă pentru a conduce generatoarele de energie. Aproximativ 86% din electricitatea mondială este generată cu ajutorul turbinelor cu abur.

Principiul de funcționare

Pentru a conduce motorul cu abur este necesar un cazan cu abur. Aburul în expansiune apasă pe piston sau pe paletele turbinei cu abur, a cărei mișcare este transmisă altor părți mecanice. Unul dintre avantajele motoarelor cu ardere externă este că, datorită separării cazanului de motorul cu abur, se poate folosi aproape orice tip de combustibil - de la bălegar la uraniu.

Invenție și dezvoltare

Primul dispozitiv cunoscut, alimentat cu abur, a fost descris de Heron din Alexandria în primul secol. Aburul care iese tangențial din duzele atașate la minge a făcut ca aceasta din urmă să se rotească. Adevărata turbină cu abur a fost inventată mult mai târziu, în Egiptul medieval, de către filozoful, astronomul și inginerul arab din secolul al XVI-lea Tagi al-Dinome. El a propus o metodă de rotire a scuipatului prin intermediul unui flux de abur îndreptat către lamele fixate de-a lungul marginii roții. O mașină similară a fost propusă în 1629 de inginerul italian Giovanni Branca pentru rotirea unui dispozitiv de ancorare cilindric, care, la rândul său, ridica și eliberează o pereche de pistiluri în mortare. Fluxul de abur din aceste turbine cu abur timpurie nu a fost concentrat, iar cea mai mare parte a energiei sale a fost disipată în toate direcțiile, rezultând pierderi semnificative de energie.

Cu toate acestea, dezvoltarea ulterioară motor cu aburi necesita un mediu economic în care proiectanții de motoare să poată beneficia de rezultatele lor. Asemenea condiții nu existau nici în antichitate, nici în Evul Mediu, nici în Renaștere. Abia la sfârșitul secolului al XVII-lea, motoarele cu abur au fost create ca curiozități unice. Prima mașină a fost creată de inventatorul spaniol Yeronimo Ayans de Beaumont, ale cărui invenții au influențat brevetul lui T. Severi (vezi mai jos). Principiul de funcționare și utilizare a motoarelor cu abur a fost descris și în 1655 de englezul Edward Somerset. În 1663 a publicat un proiect și a instalat un dispozitiv alimentat cu abur pentru a ridica apa pe zidul Marelui Turn de la Castelul Raglan (crestăturile din peretele unde a fost instalat motorul erau încă vizibile în secolul al XIX-lea). Cu toate acestea, nimeni nu a fost dispus să riște bani pentru acest nou concept revoluționar, iar motorul cu abur a rămas nedezvoltat. Unul dintre experimentele fizicianului și inventatorului francez Denis Papin a fost crearea unui vid într-un cilindru închis. La mijlocul anilor 1670, la Paris, a colaborat cu fizicianul olandez Huygens la o mașină care a forțat aerul să iasă dintr-un cilindru explodând praful de pușcă în el. Văzând incompletitudinea vidului creat de aceasta, Papen, după sosirea sa în Anglia în 1680, a creat o versiune a aceluiași cilindru, în care a primit un vid mai complet cu ajutorul apei clocotite, care s-a condensat în cilindru. Astfel, a putut ridica greutatea atașată pistonului cu o frânghie aruncată peste scripete. Sistemul a funcționat ca model demonstrativ, dar pentru a repeta procesul, întregul aparat a trebuit să fie demontat și reasamblat. Papen și-a dat seama repede că, pentru a automatiza ciclul, aburul trebuie produs separat într-un cazan. Prin urmare, Papen este considerat inventatorul cazanului cu abur, deschizând astfel calea motorului cu abur Newcomen. Cu toate acestea, el nu a oferit proiectarea unui motor cu abur în funcțiune. Papen a proiectat și o barcă propulsată de o roată reactivă într-o combinație a conceptelor Tagi al-Din și Severi; i se atribuie, de asemenea, inventarea multora dispozitive importante cum ar fi o supapă de siguranță.

Niciunul dintre dispozitivele descrise nu a fost folosit efectiv ca mijloc de rezolvare a problemelor utile. Prima mașină cu abur folosită în producție a fost o „mașină de pompieri” proiectată de inginerul militar englez Thomas Severi în 1698. Severi a primit un brevet pentru dispozitivul său în 1698. Era o pompă de abur cu piston și, evident, nu foarte eficientă, deoarece căldura aburului se pierdea de fiecare dată în timpul răcirii recipientului și destul de periculoasă în funcționare, deoarece din cauza presiunii mari a aburului, containerele și conductele a motorului uneori exploda. Deoarece acest dispozitiv putea fi folosit atât pentru a roti roțile unei mori de apă, cât și pentru a pompa apa din mine, inventatorul l-a numit „prietenul minerului”.

Apoi, fierarul englez Thomas Newcomen și-a demonstrat în 1712 „ motor aspirat natural". Era un motor cu abur Severi îmbunătățit, în care Newcomen s-a redus semnificativ presiunea de lucru pereche. Prima aplicare a motorului Newcomen a fost pomparea apei dintr-un puț adânc. În pompa de mină, culbutorul a fost conectat la o forță care a coborât în ​​mină până în camera pompei. Mișcările alternative de împingere au fost transmise pistonului pompei, care a furnizat apă în partea de sus. Motorul Newcomen a devenit primul motor cu abur care a primit o aplicație practică largă, cu care se obișnuiește să se asocieze începutul revoluției industriale în Anglia. Primul motor cu abur cu vid cu doi cilindri din Rusia a fost proiectat de mecanicul I.I.Polzunov în 1763 și construit în 1764 pentru a alimenta burduful suflantei de la fabricile Barnaul Kolyvano-Voskresensk. O nouă creștere a eficienței a fost utilizarea aburului de înaltă presiune (americanul Oliver Evans și englezul Richard Trevithick). R. Trevithick a construit cu succes motoare industriale de înaltă presiune, într-un singur timp, cunoscute sub numele de „motoare Cornish”. Au funcționat la 50 psi sau 345 kPa (3,405 atmosfere). Cu toate acestea, odată cu creșterea presiunii, a existat și un mare pericol de explozie la mașini și cazane, ceea ce a dus inițial la numeroase accidente. Din acest punct de vedere, cel mai mult element important mașina de înaltă presiune avea o supapă de siguranță care elibera excesul de presiune. De încredere și operare sigură a început doar cu acumularea de experiență și standardizarea procedurilor de construcție, exploatare și întreținere a echipamentelor. Inventatorul francez Nicholas-Joseph Cugno a demonstrat în 1769 primul vehicul cu abur autopropulsat funcțional: „fardier à vapeur” (cărucior cu abur). Poate că invenția sa poate fi considerată primul automobil. Tractorul cu abur autopropulsat s-a dovedit a fi foarte util ca sursă mobilă de energie mecanică care punea în mișcare și alte mașini agricole: treieratoare, prese etc. În 1788, un vapor cu aburi construit de John Fitch executa deja un serviciu regulat pe Râul Delaware între Philadelphia (Pennsylvania) și Burlington (statul New York). A ridicat 30 de pasageri la bord și a mers cu o viteză de 7-8 mile pe oră. La 21 februarie 1804, prima locomotivă feroviară cu abur autopropulsată, construită de Richard Trevithick, a fost expusă la Penidarren Steel Works din Merthyr Tydville, Țara Galilor de Sud.

Motoare cu abur alternative

Motoarele alternative folosesc energia aburului pentru a deplasa un piston într-o cameră sau cilindru etanș. Acțiunea pistonului alternativ poate fi transformată mecanic în mișcare liniară pompe cu piston sau într-o mișcare de rotație pentru a conduce părți rotative ale mașinilor-unelte sau roților vehiculelor.

Mașini de vid

Gravura motorului Newcomen. Această imagine este copiată dintr-un desen din Desagliers' A Course in Experimental Philosophy, 1744, care este o copie modificată a unei gravuri a lui Henry Beaton datată 1717. Probabil că prezintă cel de-al doilea motor al lui Newcomen, instalat în jurul anului 1714 la mina de cărbune Gryph din Workshire.

Motoarele cu abur timpurii au fost numite inițial „motoare de pompieri” și motoarele „atmosferice” sau „condensante” ale lui Watt. Au lucrat pentru principiul viduluiși, prin urmare, sunt cunoscute și sub denumirea de „motoare cu vid”. Astfel de mașini au funcționat pentru a antrena pompe alternative, în orice caz, nu există dovezi că ar fi fost folosite în alte scopuri. Când funcționează un motor cu abur de tip vid, la începutul ciclului, în camera de lucru sau cilindru este admis abur de joasă presiune. Supapă de admisie apoi se inchide si se raceste aburul, condensand. Într-un motor Newcomen, apa de răcire este pulverizată direct în cilindru și condensul se scurge într-un colector de condens. Acest lucru creează un vid în cilindru. Presiunea atmosferică din partea superioară a cilindrului apasă pe piston și îl face să se miște în jos, adică cursa de lucru.

Pistonul este legat de capătul unui culbutor mare care se rotește în jurul mijlocului său. Pompa încărcată este legată cu lanț de capătul opus al culbutorului, care, sub acțiunea pompei, readuce pistonul în vârful cilindrului prin gravitație. Așa se întâmplă invers. Presiunea vaporilor este scăzută și nu poate rezista mișcării pistonului.

Răcirea și reîncălzirea constantă a cilindrului auxiliar al mașinii au fost foarte risipitoare și ineficiente, cu toate acestea, aceste motoare cu abur au permis pomparea apei de la adâncimi mai adânci decât era posibil înainte de apariția lor. În 1774, a apărut o versiune a motorului cu abur, creată de Watt în colaborare cu Matthew Boulton, a cărei principală inovație a fost introducerea procesului de condensare într-o cameră separată specială (condensator). Această cameră a fost plasată într-o baie de apă rece și conectată la cilindru printr-un tub suprapus de o supapă. O mică pompă de vid specială (un prototip de pompă de condens) a fost conectată la camera de condensare, acționată de un balansoar și folosită pentru a îndepărta condensul din condensator. Format apa fierbinte a fost alimentat de o pompă specială (un prototip de pompă de alimentare) înapoi în cazan. O altă inovație radicală a fost închiderea capătului superior al cilindrului de lucru, în partea superioară a căruia se afla acum abur de joasă presiune. Același abur era prezent și în mantaua dublă a cilindrului, susținându-l temperatura constanta... În timpul mișcării în sus a pistonului, acești vapori erau transmisi prin conducte speciale către partea inferioară a cilindrului, pentru a suferi condens în cursa următoare. Mașina, de fapt, a încetat să mai fie „atmosferică”, iar puterea sa depindea acum de diferența de presiune dintre aburul de joasă presiune și vidul pe care îl putea obține.

versiunea motorului cu abur creat de Watt

La motorul cu abur Newcomen, pistonul a fost lubrifiat cantitate mică apă a turnat peste el de sus, în mașina lui Watt acest lucru a devenit imposibil, deoarece acum era abur în partea superioară a cilindrului, a fost necesar să treceți la lubrifiere cu un amestec de grăsime și ulei. Aceeași unsoare a fost folosită la etanșarea tijei cilindrului.

Motoarele cu abur cu vid, în ciuda limitărilor evidente ale eficienței lor, erau relativ sigure, foloseau abur de joasă presiune, care era destul de în concordanță cu nivelul general scăzut al tehnologiei cazanelor din secolul al XVIII-lea. Puterea mașinii a fost limitată de presiunea scăzută a aburului, dimensiunea cilindrului, viteza de ardere a combustibilului și evaporarea apei în cazan, precum și dimensiunea condensatorului. Eficiența teoretică maximă a fost limitată de diferența de temperatură relativ mică de pe ambele părți ale pistonului; aceasta a făcut ca mașinile de vid destinate utilizării industriale să fie prea mari și scumpe.

În jurul anului 1811, Richard Trevithnick trebuia să îmbunătățească mașina lui Watt pentru a o adapta la noile cazane din Cornish. Presiunea aburului deasupra pistonului a ajuns la 275 kPa (2,8 atmosfere), iar aceasta a dat puterea principală pentru cursa de lucru; în plus, condensatorul a fost îmbunătățit semnificativ. Astfel de mașini au fost numite mașini Cornish și au fost construite până în anii 1890. Multe dintre mașinile vechi ale lui Watt au fost remodelate la acest nivel. Unele dintre mașinile din Cornish erau destul de mari.

Mașini cu abur de înaltă presiune

La motoarele cu abur, aburul curge din cazan în camera de lucru a cilindrului, unde se extinde, punând presiune pe piston și efectuând muncă utilă... Aburul expandat poate fi apoi evacuat în atmosferă sau într-un condensator. O diferență importantă între mașinile de înaltă presiune și mașinile de vid este că presiunea aburului de evacuare depășește presiunea atmosferică sau este egală cu aceasta, adică nu se creează un vid. Aburul de evacuare avea de obicei o presiune mai mare decât presiunea atmosferică și era deseori evacuat în coș, ceea ce făcea posibilă creșterea tirajului cazanului.

Importanta cresterii presiunii vaporilor este ca aceasta devine mai fierbinte. Astfel, motorul cu abur de înaltă presiune funcționează la diferenta mai mare temperaturi decât cele care pot fi atinse în mașinile cu vid. După ce mașinile de înaltă presiune le-au înlocuit pe cele cu vid, acestea au devenit baza pentru dezvoltare ulterioarăși îmbunătățirea tuturor motoarelor cu abur cu piston. Cu toate acestea, presiunea care era considerată ridicată în 1800 (275-345 kPa) este acum considerată foarte scăzută - presiunea în cazanele moderne cu abur este de zeci de ori mai mare.

Un avantaj suplimentar al mașinilor de înaltă presiune este că sunt mult mai mici pentru un anumit nivel de putere și, prin urmare, semnificativ mai puțin costisitoare. În plus, un astfel de motor cu abur poate fi suficient de ușor și compact pentru a fi utilizat în vehicule. Transportul cu abur rezultat (locomotive cu abur, vapori) a revoluționat comercial și Transportul de pasageri, strategia militară și, în general, a afectat aproape fiecare aspect al vieții publice.

Diagrama unui motor orizontal cu abur de înaltă presiune cu un singur cilindru, cu dublă acțiune... Priza de putere este efectuată de cureaua de transmisie:

Mașini cu abur cu dublă acțiune

Următorul pas important în dezvoltarea motoarelor cu abur de înaltă presiune a fost apariția mașinilor cu dublă acțiune. La mașinile cu acțiune simplă, pistonul se mișca într-o singură direcție prin forța aburului în expansiune, dar s-a întors înapoi fie sub acțiunea gravitației, fie datorită momentului de inerție al unui volant rotativ conectat la un motor cu abur.

La mașinile cu abur cu dublă acțiune, aburul proaspăt este furnizat alternativ pe ambele părți ale cilindrului de lucru, în timp ce aburul evacuat de pe cealaltă parte a cilindrului este eliberat în atmosferă sau în condensator. Acest lucru a necesitat crearea unui mecanism de distribuție a aburului destul de complex. Principiul cu dublă acțiune mărește viteza mașinii și îmbunătățește confortul de rulare.

Pistonul unui astfel de motor cu abur este conectat la o tijă de culisare care iese din cilindru. La această tijă este atașată o biela oscilantă care antrenează manivela volantului. Sistemul de distribuție a aburului este condus de altul mecanism manivelă... Mecanismul de distribuție a aburului poate avea o funcție inversă pentru a schimba sensul de rotație al volantului mașinii.

Un motor cu abur cu dublă acțiune este de aproximativ două ori mai puternic decât un motor cu abur convențional și poate funcționa și cu un volant mult mai ușor. Acest lucru reduce greutatea și costul mașinilor.

Majoritatea motoarelor cu abur cu piston folosesc chiar acest principiu de funcționare, care se vede clar în exemplul locomotivelor cu abur. Când o astfel de mașină are doi sau mai mulți cilindri, manivelele sunt deplasate la 90 de grade pentru a se asigura că mașina poate fi pornită în orice poziție a pistoanelor din cilindri. Unele vapoare cu aburi cu palete aveau un motor cu abur cu un singur cilindru cu dublă acțiune și trebuiau să aibă grijă să nu oprească roata la centru mort, adică într-o poziție în care este imposibil să porniți mașina.

Motoarele cu abur au fost folosite ca motor de conducere în stații de pompare, locomotive, nave cu abur, tractoare, mașini cu abur și alte vehicule. Motoarele cu abur au contribuit la utilizarea comercială pe scară largă a mașinilor în fabrici și au oferit baza energetică pentru revoluția industrială din secolul al XVIII-lea. Mai târziu, motoarele cu abur au fost înlocuite de motoare cu ardere internă, turbine cu abur, motoare electrice și reactoare nucleare, a căror eficiență este mai mare.

Motor cu abur în acțiune

Invenție și dezvoltare

Primul dispozitiv cunoscut, alimentat de un abur, a fost descris de Heron din Alexandria în primul secol - așa-numita „baia stârcului”, sau „eolipil”. Aburul care iese tangențial din duzele atașate la minge a făcut ca aceasta din urmă să se rotească. Se presupune că conversia aburului în mișcare mecanică a fost cunoscut în Egipt în perioada stăpânirii romane și a fost folosit în dispozitive simple.

Primele motoare industriale

Niciunul dintre dispozitivele descrise nu a fost folosit efectiv ca mijloc de rezolvare a problemelor utile. Prima mașină cu abur folosită în producție a fost o „mașină de pompieri” proiectată de inginerul militar englez Thomas Severy în 1698. Severy a primit un brevet pentru dispozitivul său în 1698. Era o pompă de abur cu piston și, evident, nu foarte eficientă, deoarece căldura aburului se pierdea de fiecare dată în timpul răcirii recipientului și destul de periculoasă în funcționare, deoarece din cauza presiunii mari a aburului, containerele și conductele a motorului uneori exploda. Deoarece acest dispozitiv putea fi folosit atât pentru a roti roțile unei mori de apă, cât și pentru a pompa apa din mine, inventatorul l-a numit „prietenul minerului”.

Atunci fierarul englez Thomas Newcomen și-a demonstrat „motorul atmosferic” în 1712, care a fost primul motor cu abur pentru care ar putea exista cerere comercială. Era un motor cu abur Severy îmbunătățit, în care Newcomen a redus semnificativ presiunea aburului de lucru. Newcomen s-ar putea să se fi bazat pe o descriere a experimentelor lui Papen din cadrul Societății Regale din Londra, la care ar fi putut avea acces prin colegul Robert Hooke, care a lucrat cu Papen.

Schema motorului cu abur Newcomen.
- Aburul este afișat în violet, apa este afișat în albastru.
- Sunt afișate supapele deschise verde, închis - în roșu

Prima aplicare a motorului Newcomen a fost pomparea apei dintr-un puț adânc. În pompa de mină, culbutorul a fost conectat la o forță care a coborât în ​​mină până în camera pompei. Mișcările alternative de împingere au fost transmise pistonului pompei, care a furnizat apă în partea de sus. Supapele motoarelor Newcomen timpurii au fost deschise și închise manual. Prima îmbunătățire a fost automatizarea supapelor, care erau acționate de mașina în sine. Legenda spune că această îmbunătățire a fost făcută în 1713 de băiatul Humphrey Potter, care a trebuit să deschidă și să închidă supapele; când s-a săturat, a legat mânerele supapelor cu frânghii și s-a dus să se joace cu copiii. Până în 1715, a fost deja creat un sistem de control al pârghiei, acționat de mecanismul motorului însuși.

Primul motor cu abur cu vid cu doi cilindri din Rusia a fost proiectat de mecanicul I.I.Polzunov în 1763 și construit în 1764 pentru a alimenta burduful suflantei de la fabricile Barnaul Kolyvano-Voskresensk.

Humphrey Gainsborough a construit un model de motor cu abur cu condensator în anii 1760. În 1769, mecanicul scoțian James Watt (posibil folosind ideile lui Gainsborough) a brevetat primele îmbunătățiri semnificative ale motorului cu vid al lui Newcomen, care l-au făcut semnificativ mai eficient din punct de vedere al consumului de combustibil. Contribuția lui Watt a fost separarea fazei de condensare a motorului cu vid într-o cameră separată, în timp ce pistonul și cilindrul se aflau la o temperatură a aburului. Watt a adăugat câteva alte detalii importante motorului lui Newcomen: a plasat un piston în interiorul cilindrului pentru a expulza aburul și a transformat mișcarea de piston a pistonului în mișcarea de rotație a roții motoare.

Pe baza acestor brevete, Watt a construit un motor cu abur în Birmingham. Până în 1782, motorul cu abur al lui Watt avea o capacitate de peste 3 ori mai mare decât mașina lui Newcomen. Îmbunătățirea eficienței motorului Watt a condus la utilizarea energiei aburului în industrie. În plus, spre deosebire de motorul Newcomen, motorul Watt a făcut posibilă transmiterea mișcării de rotație, în timp ce la primele modele de motoare cu abur pistonul era conectat mai degrabă la culbutorul decât direct la biela. Acest motor avea deja caracteristicile de bază ale motoarelor cu abur moderne.

O nouă creștere a eficienței a fost utilizarea aburului de înaltă presiune (americanul Oliver Evans și englezul Richard Trevithick). R. Trevithick a construit cu succes motoare industriale de înaltă presiune, într-un singur timp, cunoscute sub numele de „motoare Cornish”. Au funcționat la 50 psi sau 345 kPa (3,405 atmosfere). Cu toate acestea, odată cu creșterea presiunii, a existat și un mare pericol de explozie la mașini și cazane, ceea ce a dus inițial la numeroase accidente. Din acest punct de vedere, cel mai important element al mașinii de înaltă presiune a fost supapa de siguranță, care elibera excesul de presiune. Funcționarea fiabilă și sigură a început doar odată cu acumularea de experiență și standardizarea procedurilor de construcție, exploatare și întreținere a echipamentelor.

Inventatorul francez Nicholas-Joseph Cugno a demonstrat în 1769 primul vehicul cu abur autopropulsat operațional: „fardier à vapeur” (cărucior cu abur). Poate că invenția sa poate fi considerată primul automobil. Tractorul cu abur autopropulsat s-a dovedit a fi foarte util ca sursă mobilă de energie mecanică care punea în mișcare și alte mașini agricole: treieratoare, prese etc. În 1788, un vapor cu aburi construit de John Fitch executa deja un serviciu regulat pe Râul Delaware între Philadelphia (Pennsylvania) și Burlington (statul New York). A ridicat 30 de pasageri la bord și a mers cu o viteză de 7-8 mile pe oră. Vaporul cu aburi al lui J. Fitch nu a avut succes comercial, deoarece o rută bună pe uscat a concurat cu el. În 1802, inginerul scoțian William Symington a construit un vas cu aburi competitiv, iar în 1807, inginerul american Robert Fulton a folosit motorul cu abur al lui Watt pentru a propulsa primul vas cu aburi de succes comercial. La 21 februarie 1804, prima locomotivă feroviară cu abur autopropulsată, construită de Richard Trevithick, a fost expusă la Penidarren Steel Works din Merthyr Tydville, Țara Galilor de Sud.

Motoare cu abur alternative

Motoarele alternative folosesc energia aburului pentru a deplasa un piston într-o cameră sau cilindru etanș. Acțiunea alternativă a pistonului poate fi transformată mecanic în mișcare liniară a pompelor cu piston sau în mișcare rotativă pentru a antrena părți rotative ale mașinilor-unelte sau roților vehiculului.

Mașini de vid

Motoarele cu abur timpurii au fost numite inițial „motoare de pompieri” și motoarele „atmosferice” sau „condensante” ale lui Watt. Ele funcționau pe principiul vidului și, prin urmare, sunt cunoscute și sub denumirea de „motoare de vid”. Astfel de mașini au funcționat pentru a antrena pompe alternative, în orice caz, nu există dovezi că ar fi fost folosite în alte scopuri. Când funcționează un motor cu abur de tip vid, la începutul ciclului, în camera de lucru sau cilindru este admis abur de joasă presiune. Supapa de admisie este apoi închisă, iar aburul este răcit și condensat. Într-un motor Newcomen, apa de răcire este pulverizată direct în cilindru și condensul se scurge într-un colector de condens. Acest lucru creează un vid în cilindru. Presiunea atmosferică din partea superioară a cilindrului apasă pe piston și îl face să se miște în jos, adică cursa de lucru.

Răcirea și reîncălzirea constantă a cilindrului auxiliar al mașinii au fost foarte risipitoare și ineficiente, cu toate acestea, aceste motoare cu abur au permis pomparea apei de la adâncimi mai adânci decât era posibil înainte de apariția lor. În acest an, a apărut o versiune a motorului cu abur, creată de Watt în colaborare cu Matthew Boulton, a cărei inovație principală a fost îndepărtarea procesului de condensare într-o cameră separată specială (condensator). Această cameră a fost plasată într-o baie de apă rece și conectată la cilindru printr-un tub suprapus de o supapă. O mică pompă de vid specială (un prototip de pompă de condens) a fost conectată la camera de condensare, acționată de un balansoar și folosită pentru a îndepărta condensul din condensator. Apa caldă rezultată a fost furnizată de o pompă specială (un prototip de pompă de alimentare) înapoi la cazan. O altă inovație radicală a fost închiderea capătului superior al cilindrului de lucru, în partea superioară a căruia se afla acum abur de joasă presiune. Același abur era prezent și în mantaua dublă a cilindrului, menținându-i temperatura constantă. În timpul mișcării în sus a pistonului, acești vapori erau transmisi prin conducte speciale către partea inferioară a cilindrului, pentru a suferi condens în cursa următoare. Mașina, de fapt, a încetat să mai fie „atmosferică”, iar puterea sa depindea acum de diferența de presiune dintre aburul de joasă presiune și vidul pe care îl putea obține. În motorul cu abur Newcomen, pistonul a fost lubrifiat cu o cantitate mică de apă turnată peste el de sus, în mașina lui Watt acest lucru a devenit imposibil, deoarece acum exista abur în partea superioară a cilindrului, a fost necesar să treceți la lubrifiere cu un amestec de unsoare si ulei. Aceeași unsoare a fost folosită la etanșarea tijei cilindrului.

Motoarele cu abur cu vid, în ciuda limitărilor evidente ale eficienței lor, erau relativ sigure, foloseau abur de joasă presiune, care era destul de în concordanță cu nivelul general scăzut al tehnologiei cazanelor din secolul al XVIII-lea. Puterea mașinii a fost limitată de presiunea scăzută a aburului, dimensiunea cilindrului, viteza de ardere a combustibilului și evaporarea apei în cazan, precum și dimensiunea condensatorului. Eficiența teoretică maximă a fost limitată de diferența de temperatură relativ mică de pe ambele părți ale pistonului; aceasta a făcut ca mașinile de vid destinate utilizării industriale să fie prea mari și scumpe.

Comprimare

Fereastra de evacuare a cilindrului motorului cu abur se închide puțin mai devreme decât pistonul ajunge în poziția sa extremă, ceea ce lasă o anumită cantitate de abur de evacuare în cilindru. Aceasta înseamnă că există o fază de compresie în ciclul de funcționare, care formează așa-numita „pernă de abur”, care încetinește mișcarea pistonului în pozițiile sale extreme. De asemenea, elimină căderea bruscă de presiune chiar la începutul fazei de admisie atunci când aburul proaspăt intră în cilindru.

Avans

Efectul descris al „pernei de abur” este, de asemenea, sporit de faptul că intrarea aburului proaspăt în cilindru începe ceva mai devreme decât pistonul atinge poziția finală, adică există un anumit avans al admiterii. Acest avans este necesar pentru ca înainte ca pistonul să-și înceapă cursa de lucru sub acțiunea aburului proaspăt, aburul să aibă timp să umple spațiul mort care a apărut ca urmare a fazei anterioare, adică canalele de admisie-evacuare și volumul cilindrului care nu este utilizat pentru deplasarea pistonului.

Extensie simplă

Simpla expansiune presupune că aburul funcționează doar atunci când se extinde în cilindru, iar aburul de evacuare este eliberat direct în atmosferă sau intră într-un condensator special. În acest caz, căldura reziduală a aburului poate fi utilizată, de exemplu, pentru încălzirea unei încăperi sau a unui vehicul, precum și pentru preîncălzirea apei care intră în cazan.

Compus

În timpul procesului de expansiune în cilindrul mașinii de înaltă presiune, temperatura aburului scade proporțional cu expansiunea acestuia. Deoarece nu există schimb de căldură în acest caz (proces adiabatic), se dovedește că aburul intră în cilindru cu o temperatură mai mare decât cea care pleacă. Astfel de schimbări de temperatură în cilindru duc la o scădere a eficienței procesului.

Una dintre metodele de a trata această diferență de temperatură a fost propusă în 1804 de inginerul englez Arthur Wolfe, care a brevetat Aparat cu abur compus de înaltă presiune Wolfe... În această mașină, aburul la temperatură înaltă dintr-un cazan de abur a fost alimentat într-un cilindru de înaltă presiune, iar după aceea, aburul evacuat în acesta cu o temperatură și o presiune mai scăzute a intrat în cilindrul (sau cilindrii) de joasă presiune. Acest lucru a redus diferența de temperatură în fiecare cilindru, ceea ce a redus în general pierderile de temperatură și a îmbunătățit eficiența generală a motorului cu abur. Aburul de joasă presiune avea un volum mai mare și, prin urmare, necesita un volum mai mare al cilindrului. Prin urmare, la mașinile compuse, cilindrii de joasă presiune aveau un diametru mai mare (și uneori mai lung) decât cilindrii de înaltă presiune.

Aceasta este cunoscută și sub denumirea de dublă expansiune, deoarece expansiunea aburului are loc în două etape. Uneori, un cilindru de înaltă presiune a fost asociat cu doi cilindri de joasă presiune, rezultând trei cilindri de aproximativ aceeași dimensiune. Acest aranjament era mai ușor de echilibrat.

Mașinile de amestecare cu doi cilindri pot fi clasificate astfel:

• Compus încrucișat- Cilindrii sunt situati unul langa altul, conductele lor de abur sunt incrucisate.
• Compus tandem- Cilindrii sunt in serie si folosesc o tija.
• Compus de colț- Cilindrii sunt înclinați unul față de celălalt, de obicei la 90 de grade, și funcționează pe o manivelă.

După anii 1880, motoarele cu abur compuse s-au răspândit în producție și transport și au devenit practic singurul tip folosit pe navele cu abur. Utilizarea lor pe locomotivele cu abur nu a fost atât de răspândită, deoarece s-au dovedit a fi prea dificile, parțial din cauza faptului că condițiile de lucru ale locomotivelor cu abur în transportul feroviar erau dificile. În ciuda faptului că locomotivele compuse nu au devenit niciodată un fenomen de masă (mai ales în Marea Britanie, unde erau foarte rare și nu erau folosite deloc după anii 1930), au câștigat o oarecare popularitate în mai multe țări.

Extensie multiplă

Diagrama simplificată a unui motor cu abur cu triplă expansiune.
Aburul de înaltă presiune (roșu) de la cazan trece prin mașină, lăsând condensatorul la presiune scăzută (albastru).

Dezvoltarea logică a schemei compuse a fost adăugarea de etape suplimentare de expansiune, care au crescut eficiența lucrării. Rezultatul a fost o schemă de expansiune multiplă cunoscută sub numele de mașini de expansiune triplă sau chiar cvadruplă. Aceste motoare cu abur foloseau o serie de cilindri cu dublă acțiune, al căror volum creștea cu fiecare treaptă. Uneori, în loc de creșterea volumului cilindrilor de joasă presiune, se folosea o creștere a numărului acestora, la fel ca la unele mașini compuse.

Imaginea din dreapta arată funcționarea unui motor cu abur cu triplă expansiune. Aburul curge prin mașină de la stânga la dreapta. Blocul de supape al fiecărui cilindru este situat în stânga cilindrului corespunzător.

Apariția acestui tip de motoare cu abur a devenit deosebit de relevantă pentru flotă, deoarece cerințele de dimensiune și greutate pentru vehiculele de navă nu erau foarte stricte și, cel mai important, o astfel de schemă a făcut ușoară utilizarea unui condensator care returnează aburul rezidual sub formă de apă proaspătă înapoi la cazan (nu a fost posibil să folosiți apă sărată de mare pentru a alimenta cazanele). Motoarele cu abur de la sol nu aveau, de obicei, probleme cu alimentarea cu apă și, prin urmare, puteau descărca aburul rezidual în atmosferă. Prin urmare, o astfel de schemă a fost mai puțin relevantă pentru ei, mai ales având în vedere complexitatea, dimensiunea și greutatea sa. Dominația motoarelor cu abur cu expansiune multiplă sa încheiat doar odată cu apariția și utilizarea pe scară largă a turbinelor cu abur. Cu toate acestea, turbinele moderne cu abur folosesc același principiu de împărțire a fluxului în cilindri de înaltă, medie și joasă presiune.

Mașini cu abur cu flux direct

Motoarele cu abur cu flux direct au apărut ca urmare a încercării de a depăși un dezavantaj inerent motoare cu aburi cu distribuție tradițională a aburului. Faptul este că aburul dintr-un motor cu abur convențional își schimbă în mod constant direcția de mișcare, deoarece aceeași fereastră de fiecare parte a cilindrului este folosită atât pentru intrarea, cât și pentru evacuarea aburului. Când aburul de evacuare părăsește cilindrul, răcește pereții și canalele de distribuție a aburului. Aburul proaspăt, în consecință, cheltuiește o anumită parte din energie pentru încălzirea lor, ceea ce duce la o scădere a eficienței. Motoarele cu abur cu flux direct au un orificiu suplimentar, care este deschis de un piston la sfârșitul fiecărei faze și prin care aburul părăsește cilindrul. Acest lucru crește eficiența mașinii pe măsură ce aburul se mișcă într-o direcție și gradientul de temperatură al pereților cilindrului rămâne mai mult sau mai puțin constant. Mașini directe mașinile cu o singură expansiune prezintă aproximativ aceeași eficiență ca și mașinile de amestecare cu distribuție convențională a aburului. În plus, pot lucra pentru mai mult turații mariși, prin urmare, înainte de apariția turbinelor cu abur, acestea erau adesea folosite pentru a antrena generatoare electrice care necesită viteze mari de rotație.

Motoarele cu abur cu flux direct sunt disponibile atât cu acțiune simplă, cât și cu dublă acțiune.

Turbine cu abur

O turbină cu abur este o serie de discuri rotative montate pe o singură axă, numită rotor de turbină, și o serie de discuri staționare alternative fixate pe o bază, numită stator. Discurile rotorului au palete in afara, aceste lame sunt furnizate cu abur și rotește discurile. Discurile statorice au palete asemănătoare, așezate în unghi opus, care servesc la redirecționarea fluxului de abur către următoarele discuri rotorice. Fiecare disc rotor și discul stator corespunzător sunt numite trepte de turbină. Numărul și dimensiunea treptelor fiecărei turbine sunt selectate astfel încât să maximizeze utilizarea energiei utile a aburului la aceeași viteză și presiune care îi este furnizată. Aburul de evacuare care iese din turbină intră în condensator. Turbinele se rotesc cu un foarte viteza mare, și, prin urmare, la transferul rotației către alte echipamente, se folosesc de obicei transmisii speciale de reducere. În plus, turbinele nu își pot schimba direcția de rotație și adesea necesită mecanisme complementare invers (uneori sunt utilizate etape suplimentare de rotație inversă).

Turbinele transformă energia aburului direct în rotație și nu necesită mecanisme suplimentare pentru transformarea mișcării alternative în rotație. În plus, turbinele sunt mai compacte decât mașinile cu piston și au o forță constantă asupra arborelui de ieșire. Deoarece turbinele au un design mai simplu, ele necesită, în general, mai puțină întreținere.

Alte tipuri de motoare cu abur

Aplicație

Mașinile cu abur pot fi clasificate în funcție de aplicația lor, după cum urmează:

Mașini staționare

Ciocan cu abur

Motor cu abur într-o veche fabrică de zahăr, Cuba

Mașinile staționare cu abur pot fi împărțite în două tipuri în funcție de modul de utilizare:

• Mașini cu viteză variabilă, care includ mașini de laminoare, troliuri cu abur și altele asemenea, care trebuie să se oprească frecvent și să schimbe sensul de rotație.
• Acționează mașinile care se opresc rar și nu ar trebui să schimbe sensul de rotație. Acestea includ motoarele electrice din centralele electrice, precum și motoarele industriale utilizate în fabrici, fabrici și căi ferate pe cablu înainte de utilizarea pe scară largă a tracțiunii electrice. Motoare putere redusă utilizat pe modele de nave și în dispozitive speciale.

Troliul cu abur este în esență un motor staționar, dar este montat pe un cadru de bază pentru a putea fi mutat. Poate fi fixat cu un cablu de ancora și mutat prin propria sa tracțiune într-un loc nou.

Vehicule de transport

Pentru a conduce au fost folosite mașini cu abur tipuri diferite vehicule, printre care:

• Vehicule terestre:
  • Mașină cu abur
  • Tractor cu abur
  • Excavator cu abur și chiar
• Avion cu abur.

În Rusia, prima locomotivă cu abur funcțională a fost construită de E. A. și M. E. Cherepanov la uzina Nijne-Tagil în 1834 pentru a transporta minereu. A dezvoltat o viteză de 13 verste pe oră și a transportat peste 200 de puds (3,2 tone) de marfă. Lungimea primei căi ferate a fost de 850 m.

Avantajele motoarelor cu abur

Principalul avantaj al motoarelor cu abur este că pot folosi aproape orice sursă de căldură pentru a o transforma în lucru mecanic. Acest lucru le diferențiază de motoarele cu ardere internă, fiecare tip necesită utilizarea unui anumit tip de combustibil. Acest avantaj este cel mai vizibil atunci când se folosește energia nucleară, deoarece un reactor nuclear nu este capabil să genereze energie mecanică, ci doar produce căldură, care este folosită pentru a genera abur care antrenează motoarele cu abur (de obicei turbine cu abur). În plus, există și alte surse de căldură care nu pot fi utilizate în motoarele cu ardere internă, cum ar fi energie solara... O direcție interesantă este utilizarea energiei diferenței de temperatură a Oceanului Mondial la diferite adâncimi.

Alte tipuri de motoare cu ardere externă au, de asemenea, proprietăți similare, cum ar fi motorul Stirling, care poate oferi o eficiență foarte mare, dar sunt semnificativ mai mari ca greutate și dimensiuni decât tipurile moderne de motoare cu abur.

Locomotivele cu abur funcționează bine la altitudini mari, deoarece eficiența lor nu scade din cauza presiunii atmosferice scăzute. Locomotivele cu abur sunt încă folosite în regiunile muntoase din America Latină, în ciuda faptului că în zona plată au fost de mult înlocuite cu mai multe tipuri moderne locomotive.

În Elveția (Brienz Rothhorn) și Austria (Schafberg Bahn), noile locomotive cu abur uscat și-au dovedit valoarea. Acest tip de locomotivă cu abur a fost dezvoltat de la modelele Swiss Locomotive and Machine Works (SLM), cu multe îmbunătățiri moderne, cum ar fi utilizarea rulmenti, izolație termică modernă, arderea fracțiilor ușoare de petrol ca combustibil, conducte de abur îmbunătățite etc. Drept urmare, aceste locomotive au un consum de combustibil cu 60% mai mic și cerințe de întreținere semnificativ mai mici. Calitățile economice ale unor astfel de locomotive sunt comparabile cu cele ale locomotivelor diesel și electrice moderne.

În plus, locomotivele cu abur sunt mult mai ușoare decât cele diesel și electrice, ceea ce este deosebit de important pentru minerit căi ferate... Particularitatea motoarelor cu abur este că nu au nevoie de o transmisie, care transmite puterea direct la roți.

Eficienţă

Coeficient de performanță (COP) motor termic poate fi definit ca raportul dintre munca mecanică utilă și cantitatea de căldură consumată conținută în combustibil. Restul energiei este eliberată în mediu inconjurator sub formă de căldură. Eficiență termică masina este egala