Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях , локомотивах , на паровых судах, тягачах , паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Позднее паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания , паровыми турбинами , электромоторами и атомными реакторами , КПД которых выше.
Паровая машина в действии
Изобретение и развитие
Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном из Александрии в первом столетии - это так называемая «баня Герона», или «эолипил». Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Предполагается, что преобразование пара в механическое движение было известно в Египте в период римского владычества и использовалось в несложных приспособлениях.
Первые промышленные двигатели
Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Сейвери в 1698 году . На своё устройство Сейвери в 1698 году получил патент. Это был поршневой паровой насос, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы двигателя иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его «другом рудокопа».
Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель», который был первым паровым двигателем, на который мог быть коммерческий спрос. Это был усовершенствованный паровой двигатель Сейвери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Ньюкомен, возможно, базировался на описании экспериментов Папена, находящихся в Лондонском королевском обществе , к которым он мог иметь доступ через члена общества Роберта Гука , работавшего с Папеном.
Схема работы паровой машины Ньюкомена.
– Пар показан лиловым цветом, вода - синим.
– Открытые клапаны показаны зелёным цветом, закрытые - красным
Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Клапаны ранних двигателей Ньюкомена открывались и закрывались вручную. Первым усовершенствованием было автоматизация действия клапанов, которые приводились в движение самой машиной. Легенда рассказывает, что это усовершенствование было сделано в 1713 году мальчиком Хэмфри Поттером, который должен был открывать и закрывать клапаны; когда это ему надоедало, он связывал рукоятки клапанов верёвками и шёл играть с детьми. К 1715 году уже была создана рычажная система регулирования, приводимая от механизма самого двигателя.
Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.
Хэмфри Гэйнсборо в 1760-ых годах построил модель паровой машины с конденсатором. В 1769 году шотландский механик Джеймс Уатт (возможно, использовав идеи Гейнсборо) запатентовал первые существенные усовершенствования к вакуумному двигателю Ньюкомена, которые сделали его значительно более эффективным по расходу топлива. Вклад Уатта заключался в отделении фазы конденсации вакуумного двигателя в отдельной камере, в то время как поршень и цилиндр имели температуру пара. Уатт добавил к двигателю Ньюкомена ещё несколько важных деталей: поместил внутрь цилиндра поршень для выталкивания пара и преобразовал возвратно-поступательное движения поршня во вращательное движение приводного колеса.
На основе этих патентов Уатт построил паровой двигатель в Бирмингеме . К 1782 году паровой двигатель Уатта оказался более чем в 3 раза производительнее машины Ньюкомена. Повышение эффективности двигателя Уатта привело к использованию энергии пара в промышленности. Кроме того, в отличие от двигателя Ньюкомена, двигатель Уатта позволил передать вращательное движение, в то время как в ранних моделях паровых машин поршень был связан с коромыслом, а не непосредственно с шатуном. Этот двигатель уже имел основные черты современных паровых машин.
Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления (американец Оливер Эванс и англичанин Ричард Тревитик). Р.Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм , или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования.
Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: "fardier à vapeur" (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем . Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход , построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7-8 миль в час . Пароход Дж. Фитча не был коммерчески успешным, поскольку с его маршрутом конкурировала хорошая сухопутная дорога. В 1802 году шотландский инженер Уильям Симингтон построил конкурентоспособный пароход, а в 1807 году американский инженер Роберт Фултон использовал паровой двигатель Уатта для привода первого коммерчески успешного парохода. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив , построенный Ричардом Тревитиком.
Паровые машины с возвратно-поступательным движением
Двигатели с возвратно-поступательным движением используют энергию пара для перемещения поршня в герметичной камере или цилиндре. Возвратно-поступательное действие поршня может быть механически преобразовано в линейное движение поршневых насосов или во вращательное движение для привода вращающихся частей станков или колёс транспортных средств.
Вакуумные машины
Ранние паровые машины назывались вначале «огневыми машинами», а также «атмосферными » или «конденсирующими» двигателями Уатта. Они работали на вакуумном принципе и поэтому известны также как «вакуумные двигатели». Такие машины работали для привода поршневых насосов , во всяком случае, нет никаких свидетельств о том, что они использовались в иных целях. При работе паровой машины вакуумного типа в начале такта пар низкого давления впускается в рабочую камеру или цилиндр. Впускной клапан после этого закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. В двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр, и конденсат сбегает в сборник конденсата. Таким образом создаётся вакуум в цилиндре. Атмосферное давление в верхней части цилиндра давит на поршень, и вызывает его перемещение вниз, то есть рабочий ход.
Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. В году появилась версия паровой машины, созданная Уаттом в сотрудничестве с Мэттью Боултоном, основным нововведением которой стало вынесение процесса конденсации в специальную отдельную камеру (конденсатор). Эта камера помещалась в ванну с холодной водой, и соединялась с цилиндром трубкой, перекрывающейся клапаном. К конденсационной камере была присоединена специальная небольшая вакуумная помпа (прообраз конденсатного насоса), приводимая в движение коромыслом и служащая для удаления конденсата из конденсатора. Образовавшаяся горячая вода подавалась специальным насосом (прообразом питательного насоса) обратно в котёл. Ещё одним радикальным нововведением стало закрытие верхнего конца рабочего цилиндра, в верхней части которого теперь находился пар низкого давления. Этот же пар присутствовал в двойной рубашке цилиндра, поддерживая его постоянную температуру. Во время движения поршня вверх этот пар по специальным трубкам передавался в нижнюю часть цилиндра, для того, чтобы подвергнуться конденсации во время следующего такта. Машина, по сути, перестала быть «атмосферной», и её мощность теперь зависела от разницы давлений между паром низкого давления и тем вакуумом, который удавалось получить. В паровой машине Ньюкомена смазка поршня осуществлялась небольшим количеством налитой на него сверху воды, в машине Уатта это стало невозможным, поскольку в верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку смесью тавота и нефти. Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.
Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничение их эффективности, были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII века . Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора. Максимальный теоретический КПД был ограничен относительно малой разницей температур по обе стороны поршня; это делало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими.
Сжатие
Выпускное окно цилиндра паровой машины перекрывается несколько раньше, чем поршень доходит до своего крайнего положения, что оставляет в цилиндре некоторое количество отработанного пара. Это означает, что в цикле работы присутствует фаза сжатия, формирующая так называемую «паровую подушку» , замедляющую движение поршня в его крайних положениях. Кроме того, это устраняет резкий перепад давления в самом начале фазы впуска, когда в цилиндр поступает свежий пар.
Опережение
Описанный эффект «паровой подушки» усиливается также тем, что впуск свежего пара в цилиндр начинается несколько раньше, чем поршень достигнет крайнего положения, то есть присутствует некоторое опережение впуска. Это опережение необходимо для того, чтобы перед тем, как поршень начнёт свой рабочий ход под действием свежего пара, пар успел бы заполнить то мёртвое пространство, которое возникло в результате предыдущей фазы, то есть каналы впуска-выпуска и неиспользуемый для движения поршня объем цилиндра.
Простое расширение
Простое расширение предполагает, что пар работает только при расширении его в цилиндре, а отработанный пар выпускается напрямую в атмосферу или поступает в специальный конденсатор. Остаточное тепло пара при этом может быть использовано, например, для обогрева помещения или транспортного средства, а также для предварительного подогрева воды, поступающей в котёл.
Компаунд
В процессе расширения в цилиндре машины высокого давления температура пара падает пропорционально его расширению. Поскольку теплового обмена при этом не происходит (адиабатический процесс), получается, что пар поступает в цилиндр с большей температурой, чем выходит из него. Подобные перепады температуры в цилиндре приводят к снижению эффективности процесса.
Один из методов борьбы с этим перепадом температур был предложен в 1804 году английским инженером Артуром Вульфом, который запатентовал Компаундную паровую машину высокого давления Вульфа . В этой машине высокотемпературный пар из парового котла поступал в цилиндр высокого давления, а после этого отработанный в нем пар с более низкой температурой и давлением поступал в цилиндр (или цилиндры) низкого давления. Это уменьшало перепад температуры в каждом цилиндре, что в целом снижало температурные потери и улучшало общий коэффициент полезного действия паровой машины. Пар низкого давления имел больший объём, и поэтому требовал большего объёма цилиндра. Поэтому в компаудных машинах цилиндры низкого давления имели больший диаметр (а иногда и большую длину) чем цилиндры высокого давления.
Такая схема также известна под названием «двойное расширение», поскольку расширение пара происходит в две стадии. Иногда один цилиндр высокого давления был связан с двумя цилиндрами низкого давления, что давало три приблизительно одинаковых по размеру цилиндра. Такую схему было легче сбалансировать.
Двухцилиндровые компаундные машины могут быть классифицированы как:
- Перекрёстный компаунд - Цилиндры расположены рядом, их паропроводящие каналы перекрещены.
- Тандемный компаунд - Цилиндры располагаются последовательно, и используют один шток.
- Угловой компаунд - Цилиндры расположены под углом друг к другу, обычно 90 градусов, и работают на один кривошип.
После 1880-х годов компаундные паровые машины получили широкое распространение на производстве и транспорте и стали практически единственным типом, используемым на пароходах. Использование их на паровозах не получило такого широкого распространения, поскольку они оказались слишком сложными, частично из-за того, что сложными были условия работы паровых машин на железнодорожном транспорте . Несмотря на то, что компаундные паровозы так и не стали массовым явлением (особенно в Великобритании, где они были очень мало распространены и вообще не использовались после 1930-х годов), они получили определённую популярность в нескольких странах.
Множественное расширение
Упрощённая схема паровой машины с тройным расширением.
Пар высокого давления (красный цвет) от котла проходит через машину, выходя в конденсатор при низком давлении (голубой цвет).
Логичным развитием схемы компаунда стало добавление в неё дополнительных стадий расширения, что увеличивало эффективность работы. Результатом стала схема множественного расширения, известная как машины тройного или даже четверного расширения. Такие паровые машины использовали серии цилиндров двойного действия, объем которых увеличивался с каждой стадией. Иногда вместо увеличения объёма цилиндров низкого давления использовалось увеличение их количества, так же, как и на некоторых компаундных машинах.
Изображение справа показывает работу паровой машины с тройным расширением. Пар проходит через машину слева направо. Блок клапанов каждого цилиндра расположен слева от соответствующего цилиндра.
Появление этого типа паровых машин стало особенно актуальным для флота, поскольку требования к размеру и весу для судовых машин были не очень жёсткими, а главное, такая схема позволяла легко использовать конденсатор, возвращающий отработанный пар в виде пресной воды обратно в котёл (использовать солёную морскую воду для питания котлов было невозможно). Наземные паровые машины обычно не испытывали проблем с питанием водой и потому могли выбрасывать отработанный пар в атмосферу. Поэтому такая схема для них была менее актуальной, особенно с учётом её сложности, размера и веса. Доминирование паровых машин множественного расширения закончилось только с появлением и широким распространением паровых турбин. Однако в современных паровых турбинах используется тот же принцип разделения потока на цилиндры высокого, среднего и низкого давления.
Прямоточные паровые машины
Прямоточные паровые машины возникли в результате попытки преодолеть один недостаток, свойственный паровым машинам с традиционным парораспределением. Дело в том, что пар в обычной паровой машине постоянно меняет направление своего движения, поскольку и для впуска и для выпуска пара применяется одно и то же окно с каждой стороны цилиндра. Когда отработанный пар покидает цилиндр, он охлаждает его стенки и парораспределительные каналы. Свежий пар, соответственно, тратит определённую часть энергии на их нагревание, что приводит к падению эффективности. Прямоточные паровые машины имеют дополнительное окно, которое открывается поршнем в конце каждой фазы, и через которое пар покидает цилиндр. Это повышает эффективность машины, поскольку пар движется в одном направлении, и температурный градиент стенок цилиндра остается более или менее постоянным. Прямоточные машины одинарного расширения показывают примерно такую же эффективность, как компаундные машины с обычным парораспределением. Кроме того, они могут работать на более высоких оборотах, и потому до появления паровых турбин часто применялись для привода электрогенераторов, требующих высокой скорости вращения.
Прямоточные паровые машины бывают как одинарного, так и двойного действия.
Паровые турбины
Паровая турбина представляет собой серию вращающихся дисков, закрепленных на единой оси, называемых ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закрепленных на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в нее подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии . Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения).
Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания.
Другие типы паровых двигателей
Применение
Паровые машины могут быть классифицированы по их применению следующим образом:
Стационарные машины
Паровой молот
Паровая машина на старой сахарной фабрике, Куба
Стационарные паровые машины могут быть разделены на два типа по режиму использования:
- Машины с переменным режимом, к которым относятся машины металлопрокатных станов , паровые лебёдки и подобные устройства, которые должны часто останавливаться и менять направление вращения.
- Силовые машины, которые редко останавливаются и не должны менять направление вращения. Они включают энергетические двигатели на электростанциях , а также промышленные двигатели, использовавшиеся на заводах, фабриках и на кабельных железных дорогах до широкого распространения электрической тяги. Двигатели малой мощности используются на судовых моделях и в специальных устройствах.
Паровая лебёдка в сущности является стационарным двигателем, но установлена на опорной раме, чтобы её можно было перемещать. Она может быть закреплена тросом за якорь и передвинута собственной тягой на новое место.
Транспортные машины
Паровые машины использовались для привода различных типов транспортных средств, среди них:
- Сухопутные транспортные средства:
- Паровой автомобиль
- Паровой трактор
- Паровой экскаватор, и даже
- Паровой самолёт.
В России первый действующий паровоз был построен Е. А. и М. Е. Черепановыми на Нижне-Тагильском заводе в 1834 году для перевозки руды. Он развивал скорость 13 вёрст в час и перевозил более 200 пудов (3,2 тонны) груза. Длина первой железной дороги составляла 850 м.
Преимущества паровых машин
Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового Океана на разных глубинах.
Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга , которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.
Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов.
В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) -х годов, со множеством современных усовершенствований, таких, как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т.д. В результате такие паровозы имеют на 60% меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами.
Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса.
Коэффициент полезного действия
Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл) от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более.
Впервые инфа об этом движке появилась на сайтах научных новинок мира лет 15 назад. Прикольный внешний вид, но… А что, собственно, революционого? Принцип преобразования движения поршней во вращательное, эквивалентен стандартному плунжерному гидромотору, в котором несколько поршней вызывают проворот диска со скошенным торцом. А примененный для парораспределения вращающийся золотник, тоже широко используется в пневматике, и конструктивно уступает классическому коробчатому золотнику паровых машин. В этом герметичность падает по мере износа, а в коробчатом — нет.
Какие еще плюсы у этой системы остаются? Кусок гибкого троса ограничивает реальную мощность этого привода на уровне десятков ватт, или долей грамма на метр, если по крутящему моменту брать.
А что касается моторчиков — «утилизаторов» остаточного тепла, остающегося в выхлопе, охлаждающей жидкости и прочих «продуктов жизнедеятельности» более мощных тепловых машин, то тут Стирлинг вне конкуренции. С.к. способен работать на температурных перепадах меньше 100 градусов.
Ну и заявка на инновационную компактность — тоже под вопросом. Паровая машинка классической схемы и равного рабочего объема, будет иметь примерно те же габариты, что и гриновская.
Есть очень интересные паровые двигатели, которые можно ставить на автомобили и они имеют высокий КПД. Эти паровые машины развивают весьма высокую мощность двигателя на дешевом топливе: торф, уголь, дрова-пеллеты. Такой паровой двигатель можно установить на автомобиль - и у вас будет свой паровой авто на дровах. А можно получать дешевую электроэнергию.
В последние годы в моделировании выделилось новое направление. Его идеологом стал аниматор И-Вей Хуан, которому очевидно понравилась идея оживлять мультяшных персонажей без помощи компьютерной графики. Вся изюминка заключается в том, что в своих «игрушках» он использует не аккумуляторные батареи, а миниатюрные паровые двигатели, которые делает своими руками. Свое вдохновение И-Вей черпает в направлении научной фантастики носящем название «стимпанк», или «паропанк» . «Стимпанк» это развившаяся начале дявяностых альтернатива «киберпанку», характеризующемуся тотальной компьютеризацией.
В свою очередь в основе стимпанка лежит история викторианской Англии с её огромными громыхающими и ухающими машинами, копотью и мощью. Стимпанковые мотивы появляются в самых разнообразных произведениях современного искусства и в том, что они пришли в моделирование, нет ничего удивительного. Теперь персонажи мультфильмов обретут новую жизнь, пускай и в игрушечном масштабе. Первую «игрушку» И-Вей собрал в 2005м году. С тех пор он собирает своими руками в среднем по одному механизму в месяц. Большая часть этого времени уходит на то, чтобы придать оснащенным громоздкими баками и паровыми котлами моделям изящность. Вот где, как нельзя кстати, пришелся его аниматорский талант.
Лишним подтверждением которого стали сразу несколько призовых мест на фестивале «RoboGames-2006». Каким бы это кощунством не показалось для русской души, работают детища И-Вея на спирту. И хотя это не единственный вариант, именно такое топливо он считает оптимальным для своих роботов. В зависимости от модели время их работы колеблется в диапазоне от пяти минут до получаса.
Впрочем, от аккумуляторов он еще полностью не отказался, правда их энергия расходуется исключительно на организацию системы радиоуправления. Вот только вряд ли его игрушки в скором времени появятся на прилавках магазинов, ведь их содержание подразумевает особые требования к технике безопасности, которые должны быть адекватны механизмам, работающим на спирту и под достаточно высоким давлением.
КПД парового двигателя
Дрова - прошлый век. Интерсно, эта ветка находится в разделе моделизм, а обсуждаются уникальные конструкции для реального использования. Мне кажется паромобиль на этом принципе очень интересен. На даче например ставится уазик-буханка, внутри у нее термоизолированный бак с паром в 250 градусов, на крыше трубки под стеклом, соединенные с этим баком греются солнцем. В течении недели стоит просто на солнце, в выходные приехал и можешь проехать километром 10. Что думаете, насколько сравнимо со вариантом солнечные батареи + аккумулятор?
Основанная в 1890 году в городе Гамбурге как морская инжиниринговая компания, Spilling выстраивала свой бизнес всегда на инновационной базе и, в настоящее время является мировым брэндом по производству и поставке модульных агрегатов, единичной мощностью 100 - 5000 кВт для эффективного использования в децентрализованных системах энергоснабжения. Наиболее уникальным продуктом этой фирмы являются паровые двигатели.
Паровые двигатели Spilling единственные в своем роде агрегаты в мире!
Паровой двигатель сочетает в себе преимущества термодинамических характеристик поршневой паровой машины и с конструктивных особенностей современных дизельных двигателей. Его уникальная конструкция обеспечивает высокую надежность при использовании качестве привода электрического генератора также и при переменной электрической нагрузке и изменении расхода пара.
Преимущество данного источника энергии для компактных локальных энергосистем по сравнению с вариантом с паровой турбиной заключается в простоте эксплуатации и дешевизне парового двигателя. Это делает его идеальным для использования на паровых котельных малой и средней мощности, в том числе:
- Электростанции, производящие электроэнергию из биотоплива, мощность от 2 МВт в пересчете на топливо
- Агрегаты для использования отработаного пара с расходом от 2,5 т/ч
- Установки для сжигания отходов.
Паровой двигатель Spilling является оптимальным в сочетании с паровыми котлами насыщенного пара, а также парогенераторами среднего давления. При этом модульный принцип конструкции поршневого двигателя обеспечивает гибкость при модернизации котельной для широкого диапазона требований заказчика.
Это особенно актуально при реконструкции паровых котельных с целью повышения ее экономичности и производства собственной электроэнергии.
В энергетических установках малой и средней мощности, которые очень часто называют мини-ТЭЦ, SPILLING как двигатель для привода электрогенератора или технологического оборудования по сравнению с паровой турбиной при соизмеримых мощностях и параметрах пара характеризуется следующими положительными качествами:
- широким динамическим диапазоном регулирования мощности;
- практической нечувствительностью к качеству пара;
- возможностью прямого привода электрогенератора или технологического оборудования без промежуточных механических передач;
- высокой эксплуатационной надежностью и потребностью в наличии минимально необходимой технической инфраструктуры для обслуживания;
- системой смазки, исключающей попадание масла в пар.
Паровой двигатель SPILLING поставляется с электрогенератором как готовый к работе блок, включая автоматическую панель системы управления с программной логикой и панелью оператора.
Технические данные паровых двигателей
Команда энтузиастов, именующая себя British Steam Car Challenge, в которую входят гонщики, энтузиасты, и просто любители, уже который год строит автомобиль Вдохновение, чтобы побить рекорд скорости для автомобилей с паровым двигателем. Рекорд скорости для паровых автомобилей держится с 1906 года. Тогда в США гонщик Фред Марриот достиг скорости 205,44 километра в час на паровом автомобиле, построенном братьями Стэнли.
Теперь же, возможно, рекорд будет побит, поскольку автомобиль проходит последнюю программу динамических испытаний, запланированную на конец марта 2009 года, на территории Министерства обороны возле Chichester, Западного Суссекса. Это будет последнее тестирование автомобиля в Великобритании перед транспортировкой его в США, для попытки установления мирового рекорда скорости наземного автомобиля с паровым двигателем.
В свое время перед главным конструктором команды Глайнном Боушером стояла сложная задача, ведь добиться от парового двигателя высокой мощности при малых размерах и весе установки непросто. Планировалось, что паровая установка Боушера будет развивать до 300 лошадиных сил на валу при оборотах турбины 12 тысяч в минуту, и к тому же поместится в узкий и низкий кузов Вдохновения. Длина его, кстати, составляет 5.25 метра; ширина — 1.7 метра; высота — 1.1 метра.
В качестве топлива служит сжиженный пропан. Четыре парогенератора расположены за спиной водителя. В каждом парогенератор по 28 тонких горизонтальных трубок из жаропрочной нержавеющей стали. Именно они занимают основной объём внутри автомобиля, и поставляют паровой машине около 10 килограммов пара в минуту. Давление и температура пара составляют около 40 атмосфер и свыше 380 градусов Цельсия. Каждым парогенератором можно управлять отдельно, что повышает надёжность системы. Пар направляется через четыре сопла на двухступенчатую паровую турбину, которая через понижающую передачу вращает задние колёса машины. Диаметр турбины — 33 сантиметра.
Инженеры рассчитывают, что автомобиль сможет разогнаться до 320 километров в час, но если принять во внимание и низкий коэффициент обтекаемости кузова — всего 0.2, то скорость может быть и выше.
Главное и очень ценное на сегодня преимущество паровых машин — это низкое содержание диоксида углерода и оксидов азота в выхлопе паровых машин, особенно, если они используют газ, как Inspiration.
Британские энтузиасты надеются, что смогут не только побить рекорд скорости для автомобилей с паровым двигателем, но и привлекут внимание общества к экологической чистоте паровых автомобилей.
Источники: steampunker.ru, diy.infcat.ru, www.chipmaker.ru, www.hansaenergo.ru, techvesti.ru
Нераскрытые Тайны
Масоны, кто они?
Кто продал Аляску?
Бог Кецалькоатль - пернатый змей. Храм Кецалькоатля
7 Чудес света современного мира
Пожалуй нет такого человека, который бы никогда не слышал о Египетских пирамидах, Колоссе Родосском, Висячих садах Вавилона или храме Артемиды в...
Правительственное метро в Москве
Голландский архитектор Рейнир де Грааф предложил рассекретить предположительно существующую ветку правительственного Метро-2. По замыслу архитектора, поскольку эта линия не связана...
Тайна дельфинов. Программа “Галилей”
Каково же было изумление ученых, когда чувствительные радиодетекторы космической станции уловили движение подо льдом спутника Юпитера. При этом звуковые приборы...
Промышленный термоядерный реактор
Скромная канадская компания General Fusion приступила к созданию первого в мире коммерческого термоядерного реактора, испытательный запуск которого планирует осуществить в...
Гормоны человека
Понятие «гормоны» в настоящее время стало объектом пристального внимания исследователей. Постоянно появляются новости о значении какого-то из них в...
Святой Грааль
Святой Грааль — загадочный христианский артефакт, обретённый и утерянный. Слова «Святой Грааль» часто используются в переносном смысле как обозначение какой-либо...
Ракетный комплекс Авангард - технические характеристики и возможности
Новейший российский ракетный комплекс "Авангард" запущен в массовое производство, начата...
Народные приметы о жемчуге
В первую очередь, жемчуг является невероятно красивым камнем, который был...
Как сделать мореный дуб в домашних условиях
Мореный дуб – прекрасный строительный материал. Его необычный цвет очень...
Хвост у людей
Забавно, но хвост у человека есть. До определенного периода. Известно, ...
Почему не внедряется квантовый двигатель Леонова
В печати периодически появляются заметки о неизвестной разработке Брянского ученого...
Ядерная крылатая ракета Буревестник – характеристики и перспективы
Ровно 212 лет назад, 24 декабря 1801 года, в небольшом английском городе Камборне механик Ричард Тревитик продемонстрировал общественности первый автомобиль с паровым двигателем Dog Carts. Сегодня это событие можно было бы смело отнести в разряд хоть и примечательных, но несущественных, тем более что паровой двигатель был известен и ранее, и даже применялся на транспортных средствах (хотя назвать их автомобилями было бы очень большой натяжкой)… Но вот что интересно: именно сейчас технический прогресс породил ситуацию, поразительно напоминающую эпоху великой «битвы» пара и бензина в начале XIX века. Только бороться предстоит аккумуляторам, водороду и биотопливу. Хотите узнать, чем все закончится и кто победит? Не буду подсказывать. Намекну: технологии ни при чем…
1. Увлечение паровыми двигателями прошло, и наступило время двигателей внутреннего сгорания.
Для пользы дела повторю: в 1801 году по улицам Камборна покатился четырёхколёсный экипаж, способный с относительным комфортом и небыстро перевозить восемь пассажиров. Автомобиль приводился в движение одноцилиндровым паровым двигателем, а топливом служил уголь. Созданием паровых транспортных средств занялись с энтузиазмом, и уже в 20-х годах XIX века пассажирские паровые омнибусы перевозили пассажиров со скоростью до 30 км/час, а средний межремонтный пробег достиг 2,5–3 тыс. км.
Теперь сопоставим эти сведения с другими. В том же 1801 году француз Филипп Лебон получил патент на конструкцию поршневого двигателя внутреннего сгорания, работавшего на светильном газе. Случилось так, что через три года Лебон погиб, и развивать предложенные им технические решения пришлось другим. Лишь в 1860 году бельгийский инженер Жан Этьен Ленуар собрал газовый двигатель с зажиганием от электрической искры и довёл его конструкцию до степени пригодности к установке на транспортное средство.
Итак, автомобильные паровой двигатель и двигатель внутреннего сгорания – практически ровесники. КПД паровой машины той конструкции и в те годы составлял около 10%. КПД двигателя Ленуара был всего 4%. Только через 22 года, к 1882-му, Август Отто усовершенствовал его настолько, что КПД теперь уже бензинового двигателя достиг… аж 15%.
2. Паровая тяга - всего лишь краткий миг в истории прогресса.
Начавшись в 1801 году, история парового транспорта активно продолжалась без малого 159 лет. В 1960-м (!) в США всё ещё строились автобусы и грузовики с паровыми двигателями. Паровые машины за это время усовершенствовались весьма значительно. В 1900 году в США 50% парка автомобилей были «на пару». Уже в те годы возникла конкуренция между паровыми, бензиновыми и - внимание! - электрическими экипажами. После рыночного успеха «Модели-Т» Форда и, казалось бы, поражения парового двигателя новый всплеск популярности паровых авто пришёлся на 20-е годы прошлого столетия: стоимость топлива для них (мазут, керосин) была значительно ниже стоимости бензина.
Фирма Stanley производила до 1927-го примерно 1 тыс. паровых автомобилей в год. В Англии паровые грузовики успешно конкурировали с бензиновыми до 1933 года и проиграли лишь по причине введения властями налога на тяжёлый грузовой транспорт и снижения тарифов на импорт жидких нефтепродуктов из США.
3. Паровая машина неэффективна и неэкономична.
Да, когда-то это было именно так. «Классический» паровой двигатель, который выпускал отработанный пар в атмосферу, имеет КПД не более 8%. Однако паровой двигатель с конденсатором и профилированной проточной частью имеет КПД до 25–30%. Паровая турбина обеспечивает 30–42%. Парогазовые установки, где используются «в связке» газовые и паровые турбины, имеют КПД до 55–65%. Последнее обстоятельство подвигло инженеров компании BMW начать проработки вариантов использования этой схемы в автомобилях. К слову сказать, КПД современных бензиновых двигателей составляет 34%.
Стоимость изготовления парового двигателя во все времена была ниже стоимости карбюраторного и дизельного моторов той же мощности. Расход жидкого топлива в новых паровых двигателях, работающих в замкнутом цикле на перегретом (сухом) пару и оснащённых современными системами смазки, качественными подшипниками и электронными системами регулирования рабочего цикла, составляет всего 40% от прежнего.
4. Паровой двигатель медленно запускается. И это было когда-то… Даже серийные автомобили фирмы Stanley «разводили пары» от 10 до 20 минут. Усовершенствование конструкции котла и внедрение каскадного режима нагрева позволило сократить время готовности до 40–60 секунд.
5. Паровой автомобиль слишком нетороплив.
Это не так. Рекорд скорости 1906 года - 205,44 км/час – принадлежит паровому автомобилю. В те годы автомобили на бензиновых моторах так быстро ездить не умели. В 1985-м на паровом автомобиле разъезжали со скоростью 234,33 км/час. А в 2009 году группа британских инженеров сконструировала паротурбинный «болид» с паровым приводом мощностью 360 л. с., который был способен перемещаться с рекордной средней скоростью в заезде – 241,7 км/час.
6. Паровой автомобиль дымит, он неэстетичен.
Рассматривая старинные рисунки, на которых изображены первые паровые экипажи, выбрасывающие из своих труб густые клубы дыма и огня (что, кстати, свидетельствует о несовершенстве топок первых «паровиков»), понимаешь, откуда взялась стойкая ассоциация паровой машины и копоти.
Что касается внешнего вида машин, дело тут, конечно, зависит от уровня дизайнера. Вряд ли кто-то скажет, что паровые автомобили Абнера Добля (США) некрасивы. Напротив, они элегантны даже по теперешним представлениям. И ездили к тому же бесшумно, плавно и быстро - до 130 км/час.
Интересно, что современные изыскания в области водородного топлива для автомобильных моторов породили ряд «боковых ответвлений»: водород в качестве топлива для классических поршневых паровых двигателей и в особенности для паротурбинных машин обеспечивает абсолютную экологичность. «Дым» от такого мотора представляет собой… водяной пар.
7. Паровой двигатель капризен. Это неправда. Он конструктивно значительно проще двигателя внутреннего сгорания, что само по себе означает большую надёжность и неприхотливость. Ресурс паровых моторов составляет многие десятки тысяч часов непрерывной работы, что не свойственно другим типам двигателей. Однако этим дело не ограничивается. В силу принципов работы паровой двигатель не теряет эффективности при понижении атмосферного давления. Именно по этой причине транспортные средства на паровой тяге исключительно хорошо подходят для использования в высокогорье, на тяжёлых горных перевалах.
Интересно отметить и ещё одно полезное свойство парового двигателя, которым он, кстати, схож с электромотором постоянного тока. Снижение частоты вращения вала (например, при возрастании нагрузки) вызывает рост крутящего момента. В силу этого свойства автомобилям с паровыми моторами принципиально не нужны коробки передач - сами по себе весьма сложные и порой капризные механизмы.
Наткнулся на интересную статью в интернете.
"Американский изобретатель Роберт Грин разработал абсолютно новую технологию, генерирующую кинетическую энергию путем преобразования остаточной энергии (как и других видов топлива). Паровые двигатели Грина усилены поршнем и сконструированы для широкого спектра практических целей.
"
Вот так, ни больше ни меньше: абсолютно новая технология. Ну естественно стал смотреть, пытался вникнуть. Везде написано, одним из наиболее уникальных преимуществ этого двигателя является способность генерировать энергию из остаточной энергии двигателей. Точнее говоря, остаточная выхлопная энергия двигателя может быть преобразована для энергии, идущей к насосам и охлаждающим системам агрегата.
Ну и что из этого, как я понял выхлопными газами доводить воду до кипения и потом преобразовывать пар в движение. Насколько это необходимо и малозатратно, ведь… хоть этот двигатель, как пишут, и специально разработан из минимального количества деталей, но все таки он сколько то да и стоит и есть ли вообще смысл огород городить, тем более принципиально нового в этом изобретении я не вижу. А механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное уже придумано очень много. На сайте автора двухцилинровая модель продаестя, в принципе не дорого 
всего 46 долларов.
На сайте автора есть видео с использованием солнечной энергии, так же есть фото где некто на лодке использует этот двигатель. 
Но в обоих случаях это явно не остаточное тепло. Короче я сомневаюсь в надежности такого двигателя: «Шаровые же опоры одновременно являются полыми каналами, по которым в цилиндры подаётся пар.»
А каково ваше мнение, уважаемые пользователи сайта?
Статьи на русском
Есть два направления современных паромобилей: рекордные машины, предназначенные для скоростных заездов, и самоделки энтузиастов парового движения.
Inspiration (2009). Современный паровой автомобиль №1, рекордный болид, спроектированный шотландцем Гленном Боушером для того, чтобы побить рекорд скорости для паровых автомобилей, установленный на машине Stanley Steamer в далёком 1906 году. 26 августа 2009 года, 103 года спустя, Inspiration разогнался до 239 км/ч, став самым быстрым паровым автомобилем в истории.
Pellandini Mk 1 Steam Cat (1977). Попытка австралийца Питера Пелландайна, владельца небольшой компании по производству лёгких спорткаров, внедрить практически применимый и удобный паровой автомобиль. Он даже сумел «выбить» под этот проект деньги из руководства штата Южная Австралия.
Pelland Steam Car Mk II (1982). Второй паровой болид Питера Пелландайна. На нём он пытался поставить рекорд скорости для паровых машин. Но не получилось. Хотя машина получилась очень динамичной и разгонялась до сотни за 8 секунд. Позже Пелландайн построил ещё две версии машины.
Keen Steamliner No. 2 (1963). В 1943 и 1963 годах инженер Чарльз Кин построил два самодельных паровых автомобиля, известных соответственно как Keen Steamliner No. 1 и No. 2. Про второй автомобиль очень много писали в прессе и даже предполагали его промышленное производство. Кин использовал стеклопластиковый кузов от кит-кара Victress S4, но всю ходовую часть и двигатель собрал самостоятельно.
Steam Speed America (2012). Рекордный паровой автомобиль, построенный группой энтузиастов для заездов в Бонневилле в 2014 году. Воз, правда, и ныне там, после неудачных заездов (аварии) 2014 года Steam Speed America находится на уровне испытаний и рекордных заездов больше не проводил.
Cyclone (2012). Прямой конкурент предыдущего болида, даже названия команд очень похожи (эта называется Team Steam USA). Рекордный болид был представлен в Орландо, но пока так и не принял участия в полноценных заездах.
Barber-Nichols Steamin" Demon (1977). В 1985 году на этой машине, для которой использовался кузов от кит-кара Aztec 7, пилот Боб Барбер разогнался до 234,33 км/ч. Рекорд не был официально признан FIA из-за нарушений в правилах заездов (Барбер провёл оба заезда в одну сторону, в то время как правила требуют провести их в противоположных, причём в течение часа). Тем не менее, именно эта попытка была первый реальным успехом на пути к преодолению рекорда 1906 года.
Chevelle SE-124 (1969). Конверсия классического Chevrolet Chevelle в паромобиль, выполненная Биллом Беслером по заказу General Motors. GM исследовала ходовые и экономические возможности паровых двигателей в применении к дорожным автомобилям.