Istoria mașinilor cu abur datează din secolul I d.Hr., când Heron din Alexandria a descris pentru prima dată eolipilul. Mai mult de 1.500 de ani mai târziu, în 1551, omul de știință otoman Takiyuddin ash-shami a descris turbine primitive conduse de abur, iar în 1629 o descoperire similară a fost făcută de Giovanni Branca. Aceste dispozitive erau scuipătoare pentru prăjirea cu abur sau mici mecanisme de transmisie... Practic, astfel de modele au fost folosite de inventatori pentru a demonstra puterea aburului și pentru a demonstra că nu ar trebui subestimată.

În anii 1700, minerii s-au confruntat cu o provocare serioasă - nevoia de a pompa apa din minele adânci. Aceeași putere a aburului a venit în ajutor. Cu ajutorul energiei aburului, a fost posibilă pomparea apei din mine. Această aplicație a descoperit potențiala putere a aburului și a condus la inventarea motorului cu abur. Centralele cu abur au apărut mai târziu. Principiul principal, care este alimentat de motoare cu aburi, este „condensarea vaporilor de apă pentru a crea un vid parțial”.

Thomas Severi și primele motoare industriale

Thomas Severi a inventat prima dată pompa de abur în 1698 pentru a pompa apa. Această invenție este adesea denumită „motorul de pompieri” sau motorul pentru „ridicarea apei cu focul”. Pompa de abur, patentată de Severi, a funcționat prin fierbere a apei până când a fost transformată complet în abur. Apoi, fiecare picătură de abur s-a ridicat în rezervor și s-a format un vid în recipientul în care se afla inițial apa. Acest vid a fost folosit pentru a pompa apa din minele adânci. Dar decizia s-a dovedit a fi temporară, deoarece energia aburului a fost suficientă doar pentru a pompa apa de la o adâncime de câțiva metri. Un alt dezavantaj al acestui design a fost utilizarea presiunii aburului pentru evacuarea apei aspirate în rezervor. Presiunea a fost prea mare pentru cazane, provocând o serie de explozii violente.

Mașini de joasă presiune

Consumul ridicat de cărbune inerent motoarelor cu aburi de la Newcomen a fost redus datorită inovațiilor lui James Watt. Cilindru de mașină presiune scăzută a fost echipat cu protecție termică, condensator separat și mecanism de scurgere a apei condensate. Astfel, consumul de cărbune la mașinile de joasă presiune a fost redus cu peste 50%.

Ivan Polzunov și primul motor cu două cilindri cu aburi

Prima mașină cu aburi rusească a fost inventată de Ivan Polzunov. Motorul său cu abur cu doi cilindri era mai puternic decât motoare englezești aspirat natural. Au ajuns la o putere de 24 kW. Un model al motorului cu aburi cu doi cilindri al lui Polzunov este expus la Muzeul Barnaul.

motorul cu abur al lui Thomas Newcomen

În 1712, Thomas Newcomen a inventat mașina cu aburi, care a avut un mare succes din punct de vedere practic. Modelul său consta dintr-un piston sau un cilindru care propulsa un bloc uriaș de lemn pentru a porni o pompă de apă. Mișcarea înapoi în mașină a acționat datorită gravitației, care a împins capătul punții în jos din partea pompei. Mașina Newcomen este în uz activ de 50 de ani. Apoi a fost recunoscută ca fiind ineficientă, deoarece era nevoie de multă energie pentru funcționarea activă. A fost necesar să se încălzească cilindrul, deoarece acesta se răcea în mod constant, drept urmare a ars mult combustibil.

Îmbunătățiri de James Watt

James Watt a revoluționat istoria motoarelor cu aburi introducând un condensator separat în designul original. El a introdus această inovație în 1765. Dar numai 11 ani mai târziu, a fost posibil să se realizeze un design care să poată fi folosit la scară industrială. Cea mai mare problemă în implementarea ideii lui Watt a fost tehnologia de a crea un piston uriaș pentru a menține cantitatea potrivită de vid. Dar, în curând, tehnologia a făcut progrese mari și, de îndată ce brevetul a primit fonduri suficiente, motorul cu aburi Watt a început să fie utilizat în mod activ în căi ferate ah și nave. În Statele Unite, peste 60.000 de mașini au fost alimentate cu motoare cu abur din 1897 până în 1927.

Mașini de înaltă presiune

În 1800, Richard Trevithick a inventat motoarele cu aburi presiune ridicata... În comparație cu toate modelele de motoare cu abur inventate anterior, această opțiune a fost cea mai puternică. Dar adevăratul succes a fost designul propus de Oliver Evans. S-a bazat pe ideea de a conduce un motor în mișcare cu abur, mai degrabă decât aburul de condensare pentru a crea un vid. Evans a inventat primul motor cu abur de înaltă presiune, fără condensare, în 1805. Mașina era staționară și dezvolta 30 rpm. Această mașină a fost inițial utilizată pentru a conduce un ferăstrău. Astfel de mașini au fost susținute de rezervoare uriașe de apă, care a fost încălzită de o sursă de căldură plasată direct sub rezervor, ceea ce a făcut posibilă generarea eficientă suma corectă pereche.

În curând, aceste motoare cu aburi au fost utilizate pe scară largă în bărci cu motor iar pe căile ferate, în 1802, respectiv 1829. Aproape o jumătate de secol mai târziu, au apărut primele mașini cu abur. Charles Algernon Parsons a inventat prima turbină cu abur în 1880. La începutul secolului al XX-lea, motoarele cu aburi erau utilizate pe scară largă în construcția de automobile și nave.

Motoare cu abur din Cornish

Richard Trevetik a încercat să îmbunătățească pompa de abur inventată de Watt. A fost modificat pentru a fi utilizat în cazanele din Cornwall inventate de Trevetic. Eficiența mașinii cu abur din Cornish a fost mult îmbunătățită de William Sims, Arthur Wolfe și Samuel Gruz. Motoarele cu aburi Cornish actualizate au constat din țevi izolate, un motor și cazane pentru o eficiență sporită.

Mașinile cu aburi erau folosite ca motor de acționareîn stații de pompare, locomotive, pe nave cu abur, tractoare, mașini cu aburi si altii vehicule... Motoarele cu aburi 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 aburi au fost înlocuite de motoarele 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-o pe aceasta din urmă să se rotească. Se presupune că conversia aburului în mișcare mecanică era cunoscut în Egipt în perioada stăpânirii romane și era folosit în dispozitive simple.

Primele motoare industriale

Niciunul dintre dispozitivele descrise nu a fost de fapt folosit ca mijloc de rezolvare a problemelor utile. Prima utilizare în producție motor cu aburi 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 când recipientul era răcit și destul de periculoasă în funcționare, deoarece din cauza presiunii mari a aburului, containerele și conductele motorului uneori a explodat. 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. A fost un motor cu aburi Severy îmbunătățit, în care Newcomen a redus semnificativ presiunea de lucru pereche. Newcomen s-ar fi putut baza pe o descriere a experimentelor lui Papen deținută de Societatea Regală 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 prezentate supapele deschise verde, închis - în roșu

Prima aplicație a motorului Newcomen a fost de a pompa apă dintr-un arbore adânc. În pompa de mină, culbutorul a fost conectat la o forță care a coborât în ​​mină până în camera pompei. Mișcările de împingere reciproce au fost transmise pistonului pompei, care a furnizat apă către vârf. Supapele motoarelor Newcomen timpurii au fost deschise și închise manual. Prima îmbunătățire a fost automatizarea supapelor, care au fost acționate chiar de mașină. 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, un sistem de control al pârghiei a fost deja creat, acționat de mecanismul motorului însuși.

Primul motor cu abur cu două cilindri din Rusia a fost proiectat de mecanicul I.I. Polzunov în 1763 și construit în 1764 pentru a acționa burduful suflantei 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 (folosind eventual ideile lui Gainsborough) a brevetat primele îmbunătățiri semnificative ale motorului de 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 de vid într-o cameră separată, în timp ce pistonul și cilindrul erau la temperatura aburului. Watt a adăugat încă câteva la motorul Newcomen detalii importante: a plasat un piston în interiorul cilindrului pentru a expulza aburul și a transformat mișcarea alternativă a pistonului într-o mișcare de rotație a roții motrice.

Pe baza acestor brevete, Watt a construit un motor cu abur în Birmingham. Până în 1782, motorul cu aburi al lui Watt era de peste 3 ori capacitatea mașinii 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 era modele timpurii La motoarele cu aburi, pistonul a fost conectat la basculant și nu direct la biela. Acest motor avea deja caracteristicile de bază ale motoarelor moderne cu aburi.

O creștere suplimentară a eficienței a fost utilizarea aburului de înaltă presiune (americanul Oliver Evans și englezul Richard Trevithick). R. Trevithick a construit cu succes motoare industriale cu o singură cursă, de înaltă presiune, cunoscute sub numele de „motoare Cornish”. Au funcționat la 50 psi, sau 345 kPa (3.405 atmosfere). Cu toate acestea, pe măsură ce presiunea a crescut, 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 mașinile de înaltă presiune aveau o supapă de siguranță care elibera presiunea în exces. 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 operațional: „fardier à vapeur” (cărucior cu abur). Poate că invenția sa poate fi considerată prima mașină. Tractorul cu aburi autopropulsat sa dovedit a fi foarte util ca sursă mobilă de energie mecanică, care a pus în mișcare alte mașini agricole: treier, prese etc. În 1788, o barcă cu aburi construită de John Fitch a efectuat 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. Aburiul lui J. Fitch nu a avut succes din punct de vedere comercial, deoarece un drum rutier bun a concurat cu traseul său. În 1802, inginerul scoțian William Symington a construit un abur competitiv, iar în 1807, inginerul american Robert Fulton a folosit motorul cu aburi Watt pentru a alimenta primul vapor cu succes comercial. La 21 februarie 1804, prima locomotivă cu aburi feroviare autopropulsată, construită de Richard Trevithick, a fost expusă la Penidarren Steel Works din Merthyr Tydville, în sudul Țării Galilor.

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 printr-o mișcare rotativă pentru a conduce părți rotative ale mașinilor-unelte sau roțile vehiculelor.

Mașini de vid

Primele motoare cu aburi au fost numite inițial „motoare de pompieri” și motoarele „atmosferice” sau „condensate” ale lui Watt. Ei au lucrat pe principiul vidului și, prin urmare, sunt cunoscuți și ca „ motoare cu vid". Astfel de mașini au funcționat pentru a antrena pompe cu piston, 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 cursei, în camera de lucru sau cilindrul este admis abur de joasă presiune. Supapă de admisie apoi se inchide si aburul se raceste, 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.

Răcirea și reîncălzirea constantă a cilindrului auxiliar al mașinii au fost foarte risipitoare și ineficiente, cu toate acestea, aceste motoare cu abur au fost capabile să pompeze apă de la adâncimi mai adânci decât era posibil înainte de a fi introduse. În anul a apărut o versiune a motorului cu abur, creată de Watt în colaborare cu Matthew Boulton, a cărei inovație principală a fost eliminarea procesului de condensare într-o cameră separată specială (condensator). Această cameră a fost plasată într-o baie cu apă rece, și a fost conectat la cilindru printr-un tub suprapus de o supapă. O pompă specială de vid mică (un prototip al unei pompe de condens) a fost conectată la camera de condensare, acționată de un braț oscilant și utilizată pentru a îndepărta condensul din condensator. Apa caldă rezultată a fost alimentată 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 presiune scăzută. Același abur era prezent și în mantaua dublă a cilindrului, susținându-l temperatura constantă... În timpul mișcării în sus a pistonului, acești vapori erau transmisi prin conducte speciale în partea inferioară a cilindrului, pentru a suferi condens în cursa următoare. De fapt, mașina 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. 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 grăsime a fost utilizată în garnitura de etanșare a tijei cilindrului.

Motoarele cu abur cu vid, în ciuda limitelor evidente ale eficienței lor, erau relativ sigure, foloseau abur de joasă presiune, ceea ce era destul de consistent cu nivelul general scăzut al tehnologiei cazanelor din secolul al XVIII-lea. Puterea mașinii a fost limitată de presiunea scăzută a aburului, dimensiunea cilindrilor, rata 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 pe ambele părți ale pistonului; acest lucru a făcut ca mașinile de vid destinate uzului industrial să fie prea mari și costisitoare.

Comprimare

Fereastra de evacuare a cilindrului motorului cu abur se închide puțin mai devreme decât atinge pistonul poziție extremă, care lasă o anumită cantitate de abur de evacuare în cilindru. Aceasta înseamnă că există o fază de compresie în ciclul de lucru, care formează așa-numita „pernă de abur”, care încetinește mișcarea pistonului în pozițiile sale extreme. În plus, elimină scădere bruscă presiune chiar la începutul fazei de admisie, când abur proaspăt intră în cilindru.

Avans

Efectul descris al „pernei de abur” este sporit și de faptul că intrarea aburului proaspăt în cilindru începe ceva mai devreme decât pistonul ajunge în 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 mișcarea pistonului.

Extensie simplă

Expansiunea simplă presupune că aburul funcționează numai atunci când se extinde în cilindru, iar aburul evacuat 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 camere 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 sa. 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 conduc 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 Mașină de abur compus de înaltă presiune Wolfe... În această mașină, aburul de temperatură ridicată de la un cazan de abur a fost introdus într-un cilindru de înaltă presiune și, după aceea, aburul evacuat în el cu o temperatură și presiune mai mici a intrat în cilindrul de presiune joasă (sau cilindrii). 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 numele 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 amestecat cu doi cilindri pot fi clasificate ca:

• Compus încrucișat- Cilindrii sunt amplasați unul lângă altul, conductele lor de abur sunt încrucișate.
• Compus tandem- Cilindrii sunt aranjați în serie și utilizează o tijă.
• 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 aburi compuse s-au răspândit în producție și transport și au devenit practic singurul tip utilizat pe navele cu aburi. Utilizarea lor la locomotivele cu abur nu era atât de răspândită, deoarece s-au dovedit a fi prea dificile, în parte 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 (în special în Marea Britanie, unde erau foarte rare și deloc folosite 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 de expansiune suplimentare la aceasta, ceea ce a sporit eficiența lucrării. Rezultatul a fost o schemă de expansiune multiplă cunoscută sub numele de mașini de expansiune triplă sau chiar cvadruplă. Astfel de motoare cu aburi foloseau o serie de cilindri dublă acțiune, al cărui volum a crescut cu fiecare etapă. Uneori, în loc să se mărească volumul buteliilor de joasă presiune, s-a folosit o creștere a numărului lor, 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 supapelor fiecărui cilindru este situat în stânga cilindrului corespunzător.

Apariția acestui tip de motoare cu aburi a devenit deosebit de relevantă pentru flotă, deoarece cerințele de dimensiune și greutate pentru vehiculele navei nu erau foarte stricte și, cel mai important, o astfel de schemă a facilitat utilizarea unui condensator care returnează aburul uzat sub forma de apă dulce înapoi la cazan (nu a fost posibilă utilizarea apei sărate de mare pentru a alimenta cazanele). De obicei, motoarele cu aburi de la sol nu aveau 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, în modern turbine cu abur se utilizează același principiu de împărțire a debitului în cilindri cu presiune înaltă, medie și joasă.

Mașini cu abur cu flux direct

Motoarele cu abur cu flux direct au apărut ca urmare a unei încercări de a depăși un dezavantaj inerent motoarelor cu abur 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 utilizată atât pentru intrarea, cât și pentru evacuarea aburului. Când aburul de evacuare părăsește cilindrul, acesta răcește pereții și canalele de distribuție a aburului. Aburul proaspăt, în consecință, cheltuie o anumită parte a energiei pentru încălzirea lor, ceea ce duce la o scădere a eficienței. Motoarele cu abur cu flux direct au o fereastră suplimentară, care este deschisă 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 conduce generatoare de energie care necesită viteze de rotație ridicate.

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

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 lame in afara, aburul este furnizat acestor lame și întoarce 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 se numesc treaptă 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 o foarte de mare vitezăși, prin urmare, atunci când se transferă rotația către alte echipamente, se folosesc de obicei transmisii speciale de reducere. În plus, turbinele nu își pot schimba direcția de rotație și deseori necesită mecanisme complementare invers (uneori se utilizează etape suplimentare de rotație inversă).

Turbinele transformă energia aburului direct în rotație și nu necesită mecanisme suplimentare pentru a transforma mișcarea alternativă în rotație. În plus, turbinele sunt mai compacte decât mașinile cu mișcare alternativă și au o forță constantă pe arborele de ieșire. Din moment ce turbinele au mai multe design simplu tind să necesite mai puțină întreținere.

Alte tipuri de motoare cu aburi

Cerere

Mașinile cu aburi 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 funcții variabile, care includ mașini de laminat, trolii cu abur și dispozitive similare care trebuie să se oprească frecvent și să schimbe direcția de rotație.
• Acționează mașinile care se opresc rar și nu ar trebui să schimbe sensul de rotație. Acestea includ motoarele electrice din centralele electrice și motoare industriale utilizat în fabrici, fabrici și căi ferate pe cablu înainte de utilizarea pe scară largă tractiune electrica... 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 la ancoră și mutat prin propria tracțiune într-un loc nou.

Mașini de transport

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

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

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. El a dezvoltat o viteză de 13 mile pe oră și a transportat peste 200 de pudre (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 munca mecanica... Acest lucru îi deosebește de motoare. combustie interna, fiecare dintre care 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 produce doar căldură, care este utilizată pentru a genera abur care acționează motoarele cu aburi (de obicei turbine cu aburi). În plus, există 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 au, de asemenea, proprietăți similare. combustie externă precum motorul Stirling, care poate oferi o eficiență foarte mare, dar are o greutate și o dimensiune semnificativ mai mari decât tipurile moderne de motoare cu aburi.

Locomotivele cu abur se comportă 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 din 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 aburi sunt semnificativ mai ușoare decât cele diesel și electrice, ceea ce este deosebit de important pentru căile ferate montane. Particularitatea motoarelor cu aburi este că nu au nevoie de transmisie, transmițând puterea direct pe 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 eliberat în mediu inconjurator sub formă de căldură. Eficiență termică masina este egala

Motor cu aburi

Motor cu aburi- un motor termic cu ardere externă care convertește energia vaporilor de apă în lucrarea mecanică a 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.

Prima mașină cu abur a fost construită în secolul al XVII-lea. Papen în 1690 și a reprezentat un cilindru cu un piston care a fost ridicat prin acțiunea aburului și coborât de presiunea atmosferică după condensarea aburului de evacuare. Pe același principiu, motoarele cu aburi de la Severi și Newcomen au fost construite în 1705 pentru a pompa apa din mine. Ultimele îmbunătățiri ale motorului cu aburi au fost făcute de James Watt în 1769.

Invenție și dezvoltare

motor watt de abur fabrică

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-o pe aceasta din urmă să se rotească. Adevărata turbină cu abur a fost inventată mult mai târziu, în Egiptul medieval, de către astronomul, fizicianul și inginerul turc din secolul al XVI-lea Takiyuddin al-Shami. El a propus o metodă de rotire a scuipatului prin intermediul unui curent de abur direcționat 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 a ridicat și a eliberat o pereche de pistiluri în mortare. Debitul de abur din aceste turbine cu abur timpurii 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 în continuare a motorului cu abur a necesitat 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. Prima mașină a fost creată de inventatorul spaniol Jeronimo Ayans de Beaumont, ale cărui invenții au influențat brevetul lui T. Severi. 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 peretele Turnului Mare de la Castelul Raglan (gavurile 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, în colaborare cu fizicianul olandez Huygens, a lucrat la o mașină care a forțat aerul să iasă dintr-un cilindru explodând praful de pușcă în el. Văzând incompletitudinea vidului creat de acesta, 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 doar ca model demonstrativ: 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 către motorul cu aburi 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 Taqi ad-Din și Severi; i se atribuie și inventarea multora dispozitive importante cum ar fi o supapă de siguranță.

Niciunul dintre dispozitivele descrise nu a fost de fapt folosit ca mijloc de rezolvare a problemelor utile. Prima mașină cu aburi 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 când recipientul era răcit și destul de periculoasă în funcționare, deoarece din cauza presiunii mari a aburului, containerele și conductele motorului uneori a explodat. 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. A fost un motor cu aburi Severi îmbunătățit, în care Newcomen a redus semnificativ presiunea de abur de lucru. Prima aplicație a motorului Newcomen a fost de a pompa apă dintr-un arbore adânc. În pompa de mină, culbutorul a fost conectat la o forță care a coborât în ​​mină până în camera pompei. Mișcările de împingere reciproce au fost transmise pistonului pompei, care a furnizat apă către vârf. A fost pompa Newcomen care a devenit primul motor cu abur care a primit un larg uz practic.

În 1781, James Watt a brevetat un motor cu abur care producea o mișcare de rotație continuă a unui arbore (spre deosebire de pompa de abur a lui Newcomen). Motorul lui Watt, puterea zece Cai putere, a devenit posibil, în prezența cărbunelui și a apei, instalarea și utilizarea oriunde în orice scop. Este obișnuit să asociați începutul Revoluției Industriale din Anglia cu motorul Watt.

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

O creștere suplimentară a eficienței a fost utilizarea aburului de înaltă presiune (americanul Oliver Evans și englezul Richard Trevithick). Trevithick a construit cu succes motoarele 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, pe măsură ce presiunea a crescut, 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 a eliberat excesul de presiune. Funcționarea sigură și sigură a început numai cu acumularea de experiență și standardizarea procedurilor pentru construcția, funcționarea și întreținerea echipamentelor.

Inventatorul francez Nicolas-Joseph Cugno a demonstrat în 1769 primul vehicul cu abur activ cu autopropulsie: „fardier a vapeur” (căruța cu aburi). Poate că invenția sa poate fi considerată prima mașină. Tractorul cu aburi autopropulsat s-a dovedit a fi foarte util ca sursă mobilă de energie mecanică, care a pus în mișcare alte mașini agricole: treier, prese etc. În 1788, o barcă cu aburi construită de John Fitch desfășura 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 noduri. La 21 februarie 1804, prima locomotivă cu aburi feroviare autopropulsată, construită de Richard Trevithick, a fost expusă la Penidarren Steel Works din Merthyr Tydville, South Wales.

Motor cu aburi- un motor termic cu ardere externă care transformă energia aburului în lucrarea mecanică a mișcării pistonului alternativ 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 orizontal staționar cu două cilindri cu abur pentru a acționa transmisiile din fabrică. Sfârșitul secolului al XIX-lea Expoziție a Muzeului Culturii Industriale. Nürnberg

Importanța motoarelor cu abur

Motoarele cu aburi au fost folosite ca motoare în stațiile de pompare, locomotive, nave cu aburi, tractoare, vagoane cu aburi și alte vehicule. Motoarele cu aburi 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 aburi au fost înlocuite de motoarele cu ardere internă, turbine cu abur și motoare electrice, a căror eficiență este mai mare.

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

Principiul de funcționare

Pentru a acționa motorul cu abur este necesar un cazan cu abur. Aburul în expansiune apasă pe piston sau pe lamele turbinei cu abur, a cărui mișcare este transmisă altora Componente mecanice... Unul dintre avantajele motoarelor cu ardere externă este că, datorită separării cazanului de motorul cu abur, poate fi utilizat aproape orice tip de combustibil - de la balegă 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-o pe aceasta din urmă să se rotească. Adevărata turbină cu aburi a fost inventată mult mai târziu, în Egiptul medieval, de filosoful, astronomul și inginerul arab din secolul al XVI-lea Tagi al-Dinome. El a propus o metodă de rotire a scuipatului prin intermediul unui curent de abur direcționat 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, a ridicat și a eliberat o pereche de pistil în mortare. Debitul de abur din aceste turbine cu aburi timpurii 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 în continuare a motorului cu aburi a necesitat un mediu economic în care proiectanții de motoare să poată beneficia de rezultatele lor. Astfel de condiții nu existau nici în timpurile străvechi, nici în Evul Mediu, nici în Renaștere. Abia la sfârșitul secolului al XVII-lea, motoarele cu aburi 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 peretele Turnului Mare de la Castelul Raglan (gavurile din peretele unde a fost instalat motorul erau încă vizibile în secolul al XIX-lea). Cu toate acestea, nimeni nu era dispus să riște bani pentru acest nou concept revoluționar, iar motorul cu aburi a rămas nedezvoltat. Unul dintre experimentele fizicianului și inventatorul 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 acesta, 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 reușit să ridice greutatea atașată pistonului cu o frânghie aruncată peste scripete. Sistemul a funcționat ca un model demonstrativ, dar pentru a repeta procesul, întregul aparat a trebuit să fie demontat și reasamblat. Papen a realizat rapid 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 aburi care funcționează. Papen a proiectat, de asemenea, o barcă propulsată de o roată reactivă într-o combinație a conceptelor Tagi al-Din și Severi; de asemenea, i se atribuie inventarea multor dispozitive importante, cum ar fi supapa de siguranță.

Niciunul dintre dispozitivele descrise nu a fost de fapt folosit ca mijloc de rezolvare a problemelor utile. Prima mașină cu aburi 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 când recipientul era răcit și destul de periculoasă în funcționare, deoarece din cauza presiunii mari a aburului, containerele și conductele motorului uneori a explodat. 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. A fost un motor cu aburi Severi îmbunătățit, în care Newcomen a redus semnificativ presiunea de abur de lucru. Prima aplicație a motorului Newcomen a fost de a pompa apă dintr-un arbore adânc. În pompa de mină, culbutorul a fost conectat la o forță care a coborât în ​​mină până în camera pompei. Mișcările de împingere reciproce au fost transmise pistonului pompei, care a furnizat apă către vârf. Motorul Newcomen a devenit primul motor cu aburi care a primit o largă aplicare practică, cu care este obișnuit să se asocieze începutul revoluției industriale din Anglia. Primul motor cu abur cu două cilindri din Rusia a fost proiectat de mecanicul I.I. Polzunov în 1763 și construit în 1764 pentru a acționa burduful suflantei la fabricile Barnaul Kolyvano-Voskresensk. O creștere suplimentară a eficienței a fost utilizarea aburului de înaltă presiune (americanul Oliver Evans și englezul Richard Trevithick). R. Trevithick a construit cu succes motoare industriale cu o singură cursă, de înaltă presiune, cunoscute sub numele de „motoare Cornish”. Au funcționat la 50 psi, sau 345 kPa (3.405 atmosfere). Cu toate acestea, pe măsură ce presiunea a crescut, 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 a eliberat excesul de presiune. Funcționarea sigură și sigură a început numai cu acumularea de experiență și standardizarea procedurilor pentru construcția, funcționarea și întreținerea 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 prima mașină. Tractorul cu aburi autopropulsat s-a dovedit a fi foarte util ca sursă mobilă de energie mecanică, care a pus în mișcare alte mașini agricole: treier, prese etc. În 1788, o barcă cu aburi construită de John Fitch desfășura 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 cu aburi feroviare autopropulsată, construită de Richard Trevithick, a fost expusă la Penidarren Steel Works din Merthyr Tydville, South Wales.

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

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 înfățișează un al doilea motor [hoi] Newcomen, instalat în jurul anului 1714 la mina de cărbune Gryph din Workshire.

Primele motoare cu aburi au fost numite inițial „motoare de pompieri” și motoarele „atmosferice” sau „condensate” 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 cu piston, 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 cursei, în camera de lucru sau cilindrul 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.

Pistonul este înlănțuit la capătul unui braț oscilant mare care se învârte în jurul mijlocului său. Pompa încărcată este înlănțuită la capătul opus al brațului basculant, care, sub acțiunea pompei, readuce pistonul în vârful cilindrului prin gravitație. Așa se produce inversul. 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 fost capabile să pompeze apă de la adâncimi mai adânci decât era posibil înainte de a fi introduse. În 1774, a apărut o versiune a motorului cu aburi, creată de Watt în colaborare cu Matthew Boulton, a cărei inovație principală 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. Camera de condensare a fost conectată la un mic dispozitiv special pompă de vid(un prototip de pompă de condens), acționată de un culbutor și servește la îndepărtarea condensului din condensator. Apa caldă rezultată a fost alimentată 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 presiune scăzută. Același abur a fost prezent și în mantaua dublă a cilindrului, menținându-și temperatura constantă. În timpul mișcării în sus a pistonului, acești vapori erau transmisi prin conducte speciale în partea inferioară a cilindrului, pentru a suferi condens în cursa următoare. De fapt, mașina 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

În motorul cu abur Newcomen, pistonul a fost lubrifiat cu o cantitate mică de apă turnată pe el, în mașina lui Watt acest lucru a devenit imposibil, deoarece acum exista abur în partea superioară a cilindrului, a fost necesar să treceți la lubrifierea cu un amestec. de grăsime și ulei. Aceeași grăsime a fost utilizată în garnitura de etanșare a tijei cilindrului.

Motoarele cu abur cu vid, în ciuda limitelor evidente ale eficienței lor, erau relativ sigure, foloseau abur de joasă presiune, ceea ce era destul de consistent cu nivelul general scăzut al tehnologiei cazanelor din secolul al XVIII-lea. Puterea mașinii a fost limitată de presiunea scăzută a aburului, dimensiunea cilindrilor, rata 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 pe ambele părți ale pistonului; acest lucru a făcut ca mașinile de vid destinate uzului industrial să fie prea mari și costisitoare.

În jurul anului 1811, Richard Trevithnick trebuia să îmbunătățească mașina lui Watt pentru a o adapta la noile cazane din Cornish. Presiunea vaporilor deasupra pistonului a atins 275 kPa (2,8 atmosfere), iar aceasta a furnizat puterea principală pentru cursa de lucru; în plus, condensatorul a fost îmbunătățit semnificativ. Astfel de mașini au fost numite mașini din 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

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

Importanța creșterii presiunii vaporilor este că acesta capătă mai mult febră mare... Astfel, motorul cu abur de înaltă presiune funcționează la diferență 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 alternativ. 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 aburi poate fi suficient de ușor și compact pentru a putea fi utilizat în vehicule. Transportul cu abur rezultat (locomotive cu aburi, aburi) a revoluționat transportul comercial și de călători, strategia militară și, în general, a atins aproape toate aspectele vieții sociale.

Schema unui motor orizontal monocilindric cu abur de înaltă presiune, cu efect dublu. Priza de putere este realizată de cureaua de transmisie:

Mașini cu aburi cu efect dublu

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 aburi cu efect dublu, aburul proaspăt este alimentat alternativ pe ambele părți ale cilindrului de lucru, în timp ce aburul de evacuare de pe cealaltă parte a cilindrului este evacuat în atmosferă sau în condensator. Acest lucru a necesitat crearea unui mecanism de distribuție a aburului destul de complex. Principiul cu acțiune dublă mărește viteza mașinii și îmbunătățește confortul la mers.

Pistonul unui astfel de motor cu abur este conectat la o tijă glisantă care iese din cilindru. La această tijă este atașată o bielă oscilantă care acționează manivela volantului. Sistemul de distribuție a aburului este acționat de altul mecanism cu manivela... Mecanismul de distribuție a aburului poate avea o funcție de inversare, astfel încât sensul de rotație al volantului mașinii să poată fi schimbat.

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 alternativ folosesc chiar acest principiu de funcționare, care este clar văzut în exemplul locomotivelor cu aburi. 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 vâsle aveau un motor cu abur cu un singur cilindru cu acțiune dublă și trebuiau să fie atenți să nu oprească roata în punct mort, adică într-o poziție în care este imposibil să porniți mașina.

Primul motor cu abur cu două cilindri din Rusia a fost proiectat de mecanicul I.I. Polzunov în 1763 și construit în 1764 în Barnaul. James Watt, care a fost membru al comisiei de acceptare a invenției lui Polzunov, în aprilie 1784 la Londra a primit un brevet pentru o mașină cu abur și este considerat inventatorul acesteia!

Polzunov, Ivan Ivanovici

- un mecanic care a amenajat primul motor cu abur din Rusia; fiul unui soldat al companiilor montane din Ekaterinburg, a intrat în școala de aritmetică din Ekaterinburg în vârstă de zece ani, unde a absolvit cursul cu gradul de student la mecanică. Printre câțiva tineri, Polzunov a fost trimis la Barnaul la fabricile de minerit de stat, unde în 1763 era shikhtmeister. Fiind angajat în construcția de mașini cu motoare cu apă folosite la topitoriile și minele, Polzunov a atras atenția asupra dificultății de a aranja astfel de mașini în zone îndepărtate de râuri și s-a stabilit pe ideea utilizării aburului ca motor. Există unele dovezi care sugerează că acest gând nu a apărut în mintea lui în mod independent, ci sub influența cărții lui Schlatter: „Comprehensive Instructions for Ore Business” (Sankt. Petersburg, 1760), în al zecelea capitol a cărui primă descriere a o mașină cu abur, și anume o mașină, este tipărită în rusă Newcomen. Polzunov a preluat cu energie punerea în aplicare a ideii sale, a început să studieze rezistența și proprietățile vaporilor de apă, a întocmit desene, a făcut modele. După ce a fost convins, după cercetări și experimente îndelungate, de posibilitatea înlocuirii forței motrice a apei cu abur și dovedirea acesteia pe modele, Polzunov în aprilie 1763 s-a îndreptat către șeful fabricilor Kolyvano-Voskresensk, generalul maior AI Poroshin, cu un scrisoare în care, expunând motivele care l-au determinat să găsească putere nouă, a cerut fonduri pentru construirea celui inventat de el " mașină de foc". Despre proiect, Polzunov a fost raportat Cabinetului Majestății Sale cu o petiție pentru eliberarea sumei necesare pentru construcția mașinii. Potrivit raportului Cabinetului, urmat de un decret al Ecaterinei a II-a, pe care ea, „pentru o mare încurajare”, i-a acordat Polzunova mecanicilor cu salariu și gradul de inginer căpitan-locotenent, a ordonat să dea 400 de ruble drept recompensă și a indicat „dacă nu este nevoie la fabrici, trimiteți-l la Sankt Petersburg , cu argint "timp de doi sau trei ani la Academia de Științe, pentru a-și completa educația. la Academia de Științe pentru o perioadă de timp să anuleze,„ pentru că aici, pentru a aduce acea pereche de mașini de operat în practică, există o nevoie extremă.” Având în vedere acest lucru, Polzunov a fost nevoit să rămână în Siberia până la încheierea dosarului.Conform devizului prezentat de acesta, i-au fost eliberate sumele și materialele necesare și i s-a oferit posibilitatea de a începe construcția. La 20 mai 1765, Polzunov a raportat deja acest lucru munca pregatitoare finalizat și că mașina va fi operațională în octombrie a aceluiași an. Dar până atunci mașina nu era gata. O masă de dificultăți neprevăzute și lipsa de experiență a lucrătorilor au încetinit progresul lucrării. În plus, multe dintre materialele necesare construirii mașinii nu au putut fi obținute în Siberia. A trebuit să le scriu din Ekaterinburg și să aștept livrarea în câteva luni. În decembrie 1765, Polzunov a terminat mașina, cheltuind 7435 de ruble pe ea. 51 copeici Cu toate acestea, nu a reușit să-și vadă invenția în acțiune. Testul mașinii a fost programat la Barnaul pe 20 mai 1766, iar pe 16 mai din același an, Polzunov murise deja „din cauza sângerărilor laringiene severe”. Mașina lui Polzunov, sub conducerea studenților săi Levzin și Chernitsin, a topit 9335 p. Minereuri Zmeenogorsk în Barnaul în termen de două luni, dar în curând funcționarea sa în Barnaul a fost întreruptă „ca fiind inutilă” și nu există informații dacă a fost folosită pe acelea care nu avea motoare cu apă. Fabrica de la Zmeinogorsk și mina Semyonovsky, unde inițial au fost intenționate chiar de inventator și de superiorii săi, în 1780, „construită de Polzunov, mașina și structura acționată în perechi sunt sparte”. Muzeul Minier Barnaul are un model al mașinii lui Polzunov. Lui Polzunov nu i se poate recunoaște, așa cum o fac unii, onoarea de a inventa primul motor cu abur. Cu toate acestea, mașina lui Polzunov a fost într-adevăr prima mașină cu aburi construită în Rusia, care nu a fost comandată din străinătate; utilizarea unui motor cu abur în 1765, nu pentru ridicarea apei, ci pentru un alt scop industrial, ar trebui considerată o invenție independentă, deoarece în Anglia prima utilizare a unui motor cu abur pentru injecția de aer s-a făcut abia în 1765.