Из чего состоит любой паровой двигатель. История изобретения паровых машин. Создание паровой машины. Стимпанк как веяние эпохи паровых машин

Начал свою экспансию еще в начале 19-го века. И уже в то время строились не только большие агрегаты для промышленных целей, но также и декоративные. В большинстве своем их покупателями были богатые вельможи, которые хотели позабавить себя и своих детишек. После того как паровые агрегаты плотно вошли в жизнь социума, декоративные двигатели начали применяться в университетах и школах в качестве образовательных образцов.

Паровые двигатели современности

В начале 20-го века актуальность паровых машин начала падать. Одной из немногих компаний, которые продолжили выпуск декоративных мини-двигателей, стала британская фирма Mamod, которая позволяет приобрести образец подобной техники даже сегодня. Но стоимость таких паровых двигателей легко переваливает за две сотни фунтов стерлингов, что не так и мало для безделушки на пару вечеров. Тем более для тех, кто любит собирать всяческие механизмы самостоятельно, гораздо интереснее создать простой паровой двигатель своими руками.

Очень простое. Огонь нагревает котел с водой. Под действием температуры вода превращается в пар, который толкает поршень. Пока в емкости есть вода, соединенный с поршнем маховик будет вращаться. Это стандартная схема строения парового двигателя. Но можно собрать модель и совершенно другой комплектации.

Что же, перейдем от теоретической части к более увлекательным вещам. Если вам интересно делать что-то своими руками, и вас удивляют столь экзотичные машины, то эта статья именно для вас, в ней мы с радостью расскажем о различных способах того, как собрать двигатель своими руками паровой. При этом сам процесс создания механизма дарит радость не меньшую, чем его запуск.

Метод 1: мини-паровой двигатель своими руками

Итак, начнем. Соберем самый простой паровой двигатель своими руками. Чертежи, сложные инструменты и особые знания при этом не нужны.

Для начала берем из-под любого напитка. Отрезаем от нее нижнюю треть. Так как в результате получим острые края, то их необходимо загнуть внутрь плоскогубцами. Делаем это осторожно, чтобы не порезаться. Так как большинство алюминиевых банок имеют вогнутое дно, то необходимо его выровнять. Достаточно плотно прижать его пальцем к какой-нибудь твердой поверхности.

На расстоянии 1,5 см от верхнего края полученного «стакана» необходимо сделать два отверстия друг напротив друга. Желательно для этого использовать дырокол, так как необходимо, чтобы они получились в диаметре не менее 3 мм. На дно банки кладем декоративную свечку. Теперь берем обычную столовую фольгу, мнем ее, после чего оборачиваем со всех сторон нашу мини-горелку.

Мини-сопла

Далее нужно взять кусок медной трубки длиной 15-20 см. Важно, чтобы внутри она была полой, так как это будет наш главный механизм приведения конструкции в движение. Центральную часть трубки оборачивают вокруг карандаша 2 или 3 раза, так, чтобы получилась небольшая спираль.

Теперь необходимо разместить этот элемент так, чтобы изогнутое место размещалось непосредственно над фитилем свечки. Для этого придаем трубке формы буквы «М». При этом выводим участки, которые опускаются вниз, через проделанные отверстия в банке. Таким образом, медная трубка жестко фиксируется над фитилем, а ее края являются своеобразными соплами. Для того чтобы конструкция могла вращаться, необходимо отогнуть противоположные концы «М-элемента» на 90 градусов в разные стороны. Конструкция парового двигателя готова.

Запуск двигателя

Банку размещают в емкости с водой. При этом необходимо, чтобы края трубки находились под ее поверхностью. Если сопла недостаточно длинные, то можно добавить на дно банки небольшой грузик. Но будьте осторожны — не потопите весь двигатель.

Теперь необходимо заполнить трубку водой. Для этого можно опустить один край в воду, а вторым втягивать воздух как через трубочку. Опускаем банку на воду. Поджигаем фитиль свечки. Через некоторое время вода в спирали превратится в пар, который под давлением будет вылетать из противоположных концов сопел. Банка начнет вращаться в емкости достаточно быстро. Вот такой у нас получился двигатель своими руками паровой. Как видите, все просто.

Модель парового двигателя для взрослых

Теперь усложним задачу. Соберем более серьезный двигатель своими руками паровой. Для начала необходимо взять банку из-под краски. При этом следует убедиться, что она абсолютно чистая. На стенке на 2-3 см от дна вырезаем прямоугольник с размерами 15 х 5 см. Длинная сторона размещается параллельно дну банки. Из металлической сетки вырезаем кусок площадью 12 х 24 см. С обоих концов длинной стороны отмеряем 6 см. Отгибаем эти участки под углом 90 градусов. У нас получается маленький «столик-платформа» площадью 12 х 12 см с ногами по 6 см. Устанавливаем полученную конструкцию на дно банки.

По периметру крышки необходимо сделать несколько отверстий и разместить их в форме полукруга вдоль одной половины крышки. Желательно, чтобы отверстия имели диаметр около 1 см. Это необходимо для того, чтобы обеспечить надлежащую вентиляцию внутреннего пространства. Паровой двигатель не сможет хорошо работать, если к источнику огня не будет попадать достаточное количество воздуха.

Основной элемент

Из медной трубки делаем спираль. Необходимо взять около 6 метров мягкой медной трубки диаметром 1/4-дюйма (0,64 см). От одного конца отмеряем 30 см. Начиная с этой точки, необходимо сделать пять витков спирали диаметром 12 см каждая. Остальную часть трубы изгибают в 15 колец диаметром по 8 см. Таким образом, на другом конце должно остаться 20 см свободной трубки.

Оба вывода пропускают через вентиляционные отверстия в крышке банки. Если окажется, что длины прямого участка недостаточно для этого, то можно разогнуть один виток спирали. На установленную заранее платформу кладут уголь. При этом спираль должна размещаться как раз над этой площадкой. Уголь аккуратно раскладывают между ее витками. Теперь банку можно закрыть. В итоге мы получили топку, которая приведет в действие двигатель. Своими руками паровой двигатель почти сделан. Осталось немного.

Емкость для воды

Теперь необходимо взять еще одну банку из-под краски, но уже меньшего размера. В центре ее крышки сверлят отверстие диаметром в 1 см. Сбоку банки проделывают еще два отверстия — одно почти у дна, второе — выше, у самой крышки.

Берут два корка, в центре которых проделывают отверстие с диаметров медной трубки. В один корок вставляют 25 см пластиковой трубы, в другой — 10 см, так, чтобы их край едва выглядывал из пробок. В нижнее отверстие малой банки вставляют корок с длинной трубкой, в верхнее - более короткую трубку. Меньшую банку размещаем на большой банке краски так, чтобы отверстие на дне было на противоположной стороне от вентиляционных проходов большой банки.

Результат

В итоге должна получиться следующая конструкция. В малую банку заливается вода, которая через отверстие в дне вытекает в медную трубку. Под спиралью разжигается огонь, который нагревает медную емкость. Горячий пар поднимается по трубке вверх.

Для того чтобы механизм получился завершенным, необходимо присоединить к верхнему концу медной трубки поршень и маховик. В итоге тепловая энергия горения будет преобразовываться в механические силы вращения колеса. Существует огромное количество различных схем для создания такого двигателя внешнего сгорания, но во всех них всегда задействованы два элемента - огонь и вода.

Кроме такой конструкции, можно собрать паровой но это материал для совершенно отдельной статьи.

Зачастую при упоминании "паровых двигателей" на ум приходят паровозы или автомобили Стэнли Стимер, но применение этих механизмов не ограничивается перевозками. Паровые двигатели, которые впервые были созданы в примитивном виде около двух тысячелетий назад, за последние три столетия стали крупнейшими источниками электропитания, а сегодня паровые турбины производят около 80 процентов мировой электроэнергии. Чтобы глубже понять природу физических сил, на основе которых работает такой механизм, мы рекомендуем вам сделать свой собственный паровой двигатель из обычных материалов, воспользовавшись одним из предложенных здесь способов! Для начала переходите к Шагу 1.

Шаги

Паровой двигатель из жестяной банки (для детей)

Отрежьте нижнюю часть алюминиевой банки на расстояние 6,35 см. При помощи ножниц по металлу ровно отрежьте нижнюю часть алюминиевой банки примерно на треть высоты.

Загните и прижмите ободок при помощи плоскогубцев. Чтобы не было острых краев, загните ободок банки внутрь. Выполняя это действие, следите за тем, чтобы не пораниться.

Надавите на дно банки изнутри, чтобы сделать его плоским. У большинства алюминиевых банок из-под напитков основание будет круглым и выгнутым вовнутрь. Выровняйте дно, надавив на него пальцем или воспользовавшись небольшим стаканом с плоским дном.

Выполните два отверстия в противоположных сторонах банки, отступив 1,3 см от верха. Для выполнения отверстий подойдет как бумажный дырокол, так и гвоздь с молотком. Вам потребуются отверстия диаметром чуть более трех миллиметров.

Разместите по центру банки маленькую греющую свечу. Скомкайте фольгу и положите ее под низ и вокруг свечки, чтобы она не двигалась. Такие свечки обычно идут в специальных подставках, поэтому воск не должен плавиться и вытекать в алюминиевую банку.

Обмотайте центральную часть медной трубки длиной 15-20 см вокруг карандаша на 2 или 3 витка, чтобы получился змеевик. Трубка диаметром 3 мм должна легко сгибаться вокруг карандаша. Вам потребуется достаточное количество изогнутой трубки, чтобы протянуть поперек банки через верх, плюс дополнительные прямые 5 см с каждой из сторон.

Проденьте концы трубок в отверстия в банке. Центр змеевика должен расположиться над фитилем свечи. Желательно, чтобы прямые участки трубки с обеих сторон банки были одинаковой длины.

Согните концы труб при помощи плоскогубцев, чтобы получился прямой угол. Согните прямые участки трубки таким образом, чтобы с разных сторон банки они смотрели в противоположные направления. Затем снова согните их, чтобы они опустились ниже основания банки. Когда все будет готово, должно получиться следующее: змеевидная часть трубки находится по центру банки над свечкой и переходит в два наклонных, смотрящих в противоположные стороны "сопла" с двух сторон банки.

Опустите банку в миску с водой, при этом концы трубки должны погрузиться. Ваша "лодка" должна надежно держаться на поверхности. Если концы трубки недостаточно погружены в воду, попытайтесь немного утяжелить банку, но ни в коем случае не утопите ее.

Заполните трубку водой. Самым простым способом будет опустить один конец в воду и потянуть с другого конца как через соломинку. Также можно пальцем перекрыть один выход из трубки, а второй подставить под струю воды из-под крана.

Зажгите свечу. Через время вода в трубке нагреется и закипит. По мере превращения в пар она будет выходить через "сопла", в результате чего вся банка начнет вращаться в миске.

Паровой двигатель из банки из-под краски (для взрослых)

1. Прорежьте прямоугольное отверстие возле основания четырехлитровой банки из-под краски. Сделайте горизонтальное прямоугольное отверстие размером 15 x 5 см сбоку банки возле основания.

   • Необходимо убедиться, что в этой банке (и в еще одной используемой) была только латексная краска, а также тщательно вымыть ее мыльной водой перед использованием.

2. Отрежьте полоску металлической сетки 12 x 24 см. По длине с каждого края отогните по 6 см под углом 90 o . У вас получиться квадратная "платформа" 12 x 12 см с двумя "ножками" по 6 см. Установите ее в банку "ножками" вниз, выровняв ее по краям прорезанного отверстия.

   Сделайте полукруг из отверстий по периметру крышки. Впоследствии вы будете сжигать в банке уголь, чтобы обеспечить паровой двигатель теплом. При нехватке кислорода уголь будет плохо гореть. Чтобы в банке была необходимая вентиляция, просверлите или пробейте в крышке несколько отверстий, которые образуют полукруг вдоль краев.

   • В идеале диаметр вентиляционных отверстий должен быть около 1 см.

3. Сделайте змеевик из медной трубки. Возьмите около 6 м трубки из мягкой меди диаметром 6 мм и отмерьте с одного конца 30 см. Начиная с этой точки, выполните пять витков диаметром 12 см. Оставшуюся длину трубы согните в 15 витков диаметром по 8 см. У вас должно остаться около 20 см.

   Пропустите оба конца змеевика в вентиляционные отверстия в крышке. Согните оба конца змеевика таким образом, чтобы они были направлены вверх и пропустите оба через одно из отверстий в крышке. Если длины трубы не хватает, то потребуется немного разогнуть один из витков.

   Поместите змеевик и древесный уголь в банку. Поместите змеевик на сетчатую платформу. Заполните пространство вокруг и внутри змеевика древесным углем. Плотно закройте крышку.

   Просверлите отверстия под трубку в банке меньшего размера. По центру крышки литровой банки просверлите отверстие диаметром 1 см. Сбоку банки просверлите два отверстия диаметром 1 см – одно возле основания банки, а второе над ним возле крышки.

   Вставьте закупоренную пластмассовую трубку в боковые отверстия меньшей банки. При помощи концов медной трубки проделайте отверстия в центре двух пробок. В одну пробку вставьте жесткую пластмассовую трубку длиной 25 см, а в другую пробку – такую же трубку длиной 10 см. Они должны плотно сидеть в пробках и немного выглядывать наружу. Вставьте пробку с более длинной трубкой в нижнее отверстие меньшей банки, а пробку с более короткой трубкой в верхнее отверстие. Закрепите трубки в каждой пробке при помощи хомутов.

   Соедините трубку большей банки с трубкой меньшей банки. Разместите меньшую банку над большей, при этом трубка с пробкой должна быть направлена в противоположную сторону от вентиляционных отверстий большей банки. При помощи металлической ленты закрепите трубку из нижней пробки с трубкой, выходящей из нижней части медного змеевика. Затем аналогичным образом закрепите трубку из верхней пробки с трубкой, выходящей из верхней части змеевика.

   Вставьте медную трубку в соединительную коробку. При помощи молотка и отвертки удалите центральную часть круглой металлической электрораспределительной коробки. Зафиксируйте хомут под электрический кабель стопорным кольцом. Вставьте 15 см медной трубки диаметром 1,3 см в хомут кабеля, чтобы трубка выходила на несколько сантиметров ниже отверстия в коробке. Затупите края этого конца вовнутрь при помощи молотка. Вставьте этот конец трубки в отверстие в крышке меньшей банки.

   Вставьте шпажку в дюбель. Возьмите обычную деревянную шпажку для барбекю и вставьте ее в один конец полого деревянного дюбеля длиной 1,5 см и диаметром 0,95 см. Вставьте дюбель со шпажкой в медную трубку внутри металлической соединительной коробки таким образом, чтобы шпажка была направлена вверх.

   • Во время работы нашего двигателя шпажка и дюбель будут действовать как "поршень". Чтобы движения поршня было лучше видно, можно прикрепить к нему небольшой бумажный "флажок".

4. Подготовьте двигатель к работе. Снимите соединительную коробку с меньшей верхней банки и заполните верхнюю банку водой, позволяя ей выливаться в медный змеевик, пока банка не будет заполнена водой на 2/3. Проверьте отсутствие утечек во всех местах соединений. Плотно закрепите крышки банок, застучав их молотком. Снова установите соединительную коробку на место над меньшей верхней банкой.

5. Запускайте двигатель! Скомкайте куски газеты и положите их в пространство под сеткой в нижней части двигателя. Когда древесный уголь разгорится, дайте ему прогореть около 20-30 минут. По мере нагревания воды в змеевике в верхней банке начнет накапливаться пар. Когда пар достигнет достаточного давления, он вытолкнет дюбель и шпажку наверх. После сброса давления поршень опустится вниз под действием силы тяжести. При необходимости, срежьте часть шпажки, чтобы снизить вес поршня – чем он легче, тем чаще будет "всплывать". Постарайтесь сделать шпажку такого веса, чтобы поршень "ходил" в постоянном темпе.

   • Можно ускорить процесс горения, усилив приток воздуха в вентиляционные отверстия феном.

6. Соблюдайте безопасность. Полагаем, само собой разумеется, что при работе и обращении с самодельным паровым двигателем необходимо соблюдать осторожность. Никогда не запускайте его в помещении. Никогда не запускайте его возле таких воспламеняющихся материалов, как сухие листья или нависающие ветви деревьев. Используйте двигатель только на прочной негорючей поверхности вроде бетона. Если вы работаете с детьми или подростками, то они не должны оставаться без присмотра. Детям и подросткам запрещается подходить к двигателю, когда в нем горит древесный уголь. Если вам не известна температура двигателя, то считайте, что он настолько горячий, что к нему нельзя прикасаться.

   • Удостоверьтесь, что пар может выходить из верхнего "котла". Если по какой-либо причине поршень застрянет, то внутри меньшей банки может накопиться давление. При самом худшем раскладе банка может взорваться, что очень опасно.
• Поместите паровой двигатель в пластмассовую лодку, опустив оба конца в воду, чтобы получилась паровая игрушка. Можно вырезать лодку простой формы из пластиковой бутылки из-под газировки или отбеливателя, чтобы ваша игрушка получилась более "экологичной".

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

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определён как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты , содержащейся в топливе . Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла. КПД тепловой машины равен

О истории развития парового двигателя, достаточно подробно описано в этой статье . Тут же - наиболее известные решения и изобретения времен 1672-1891 года.

Первые наработки.

Начнем с того, что еще в семнадцатом веке пар стали рассматривать как средство для привода, проводили с ним всяческие опыты, и лишь только в 1643 году Эванджелистом Торричелли было открыто силовое действие давления пара. Кристиан Гюйгенс через 47 лет спроектировал первую силовую машину, приводившуюся в действие взрывом пороха в цилиндре. Это был первый прототип двигателя внутреннего сгорания. На аналогичном принципе устроена водозаборная машина аббата Отфея. Вскоре Дени Папен решил заменить силу взрыва на менее мощную силу пара. В 1690 году им была построена первая паровая машина , известная также как паровой котел.

Она состояла из поршня, который с помощью кипящей воды перемещался в цилиндре вверх и за счет последующего охлаждения снова опускался – так создавалось усилие. Весь процесс происходил таким образом: под цилиндром, который выполнял одновременно и функцию кипятильного котла, размещали печь; при нахождении поршня в верхнем положении печь отодвигалась для облегчения охлаждения.

Позже два англичанина, Томас Ньюкомен и Коули – один кузнец, другой стекольщик, – усовершенствовали систему путем разделения кипятильного котла и цилиндра и добавления бака с холодной водой. Эта система функционировала с помощью клапанов или кранов – одного для пара и одного для воды, которые поочередно открывались и закрывались. Затем англичанин Бэйтон перестроил клапанное управление в подлинно тактовое.

Применение паровых машин на практике.

Машина Ньюкомена вскоре стала известна повсюду и, в частности, была усовершенствована, разработанной Джеймсом Уаттом в 1765 году системой двойного действия. Теперь паровая машина оказалась достаточно завершенной для использования в транспортных средствах, хотя из-за своих размеров лучше подходила для стационарных установок. Уатт предложил свои изобретения и в промышленности; он построил также машины для текстильных фабрик.

Первая паровая машина, используемая в качестве средства передвижения, был изобретена французом Николя Жозефом Куньо, инженером и военным стратегпм-любителем. В 1763 или 1765 году он создал автомобиль, который мог перевозить четырех пассажиров при средней скорости 3,5 и максимальной – 9,5 км/час. За первой попыткой последовала вторая – появился автомобиль для транспортировки орудий. Испытывался он, естественно, военными, но из-за невозможности продолжительной эксплуатации (непрерывный цикл работы новой машины не превышал 15 минут) изобретатель не получил поддержки властей и финансистов. Между тем в Англии совершенствовалась паровая машина. После нескольких безуспешных, базировавшихся на машине Уаттa попыток Мура, Вильяма Мердока и Вильяма Саймингтона, появилось рельсовое транспортное средство Ричарда Тревисика, созданное по заказу Уэльской угольной шахты. В мир пришел активный изобретатель: из подземных шахт он поднялся на землю и в 1802 году представил человечеству мощный легковой автомобиль, достигавший скорости 15 км/час на ровной местности и 6 км/час на подъеме.

Приводимые в движение паром транспортные средства все чаще использовались и в США: Натан Рид в 1790 году удивил жителей Филадельфии своей моделью парового автомобиля . Однако еще больше прославился его соотечественник Оливер Эванс, который спустя четырнадцать лет изобрел автомобиль-амфибию. После наполеоновских войн, во время которых «автомобильные эксперименты» не проводились, вновь началась работа над изобретением и усовершенствованием паровой машины . В 1821 году ее можно было считать совершенной и достаточно надежной. С тех пор каждый шаг вперед в сфере приводимых в движение паром транспортных средств определенно способствовал развитию будущих автомобилей.

В 1825 году сэр Голдсуорт Гарни на участке длиной 171 км от Лондона до Бата организовал первую пассажирскую линию. При этом он использовал запатентованную им карету, имевшую паровой двигатель. Это стало началом эпохи скоростных дорожных экипажей, которые, однако, исчезли в Англии, но получили широкое распространение в Италии и во Франции. Подобные транспортные средства достигли наивысшего развития с появлением в 1873 году «Реверанса» Амедэ Балле весом 4500 кг и «Манселя» – более компактного, весившего чуть более 2500 кг и достигавшего скорости 35 км/час. Оба были предвестниками той техники исполнения, которая стала характерной для первых «настоящих» автомобилей. Несмотря на большую скорость кпд паровой машины был очень маленький. Болле был тем, кто запатентовал первую хорошо действующую систему рулевого управления, он так удачно расположил управляющие и контрольные элементы, что мы и сегодня это видим на приборном щитке.

Несмотря на грандиозный прогресс в области создания двигателя внутреннего сгорания, сила пара все еще обеспечивала более равномерный и плавный ход машины и, следовательно, имела много сторонников. Как и Болле, который построил и другие легкие автомобили, например Rapide в 1881 году со скоростью движения 60 км/час, Nouvelle в 1873 году, которая имела переднюю ось с независимой подвеской колес, Леон Шевроле в период между 1887 и 1907 годами запустил несколько автомобилей с легким и компактным парогенератором, запатентованным им в 1889 году. Компания De Dion-Bouton, основанная в Париже в 1883 году, первые десять лет своего существования производила автомобили с паровым двигателями и добилась при этом значительного успеха – ее автомобили выиграли гонки Париж-Руан в 1894 году.

Успехи компании Panhard et Levassor в использовании бензина привели, однако, к тому, что и De Dion перешел на двигатели внутреннего сгорания. Когда братья Болле стали управлять компанией своего отца, они сделали то же самое. Затем и компания Chevrolet перестроила свое производство. Автомобили с паровыми двигателями все быстрее и быстрее исчезали с горизонта, хотя в США они использовались еще до 1930 года. На этом самом моменте и прекратилось производство и изобретение паровых машин

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