З чого складається будь-паровий двигун. Історія винаходу парових машин. Створення парової машини. Стімпанк як віяння епохи парових машин

Почав свою експансію ще на початку 19-го століття. І вже в той час будувалися не тільки великі агрегати для промислових цілей, але також і декоративні. Здебільшого їх покупцями були багаті вельможі, які хотіли позбавити себе і своїх діточок. Після того як парові агрегати щільно увійшли в життя соціуму, декоративні двигуни почали застосовуватися в університетах і школах в якості освітніх зразків.

Парові двигуни сучасності

На початку 20-го століття актуальність парових машин почала падати. Однією з небагатьох компаній, які продовжили випуск декоративних міні-двигунів, стала британська фірма Mamod, яка дозволяє придбати зразок подібної техніки навіть сьогодні. Але вартість таких парових двигунів легко перевалює за дві сотні фунтів стерлінгів, що не так і мало для дрібнички на пару вечорів. Тим більше для тих, хто любить збирати всілякі механізми самостійно, набагато цікавіше створити простий паровий двигун своїми руками.

Дуже просте. Вогонь нагріває котел з водою. Під дією температури вода перетворюється в пар, який штовхає поршень. Поки в ємності є вода, з'єднаний з поршнем маховик буде обертатися. Це стандартна схема будови парового двигуна. Але можна зібрати модель і зовсім інший комплектації.

Що ж, перейдемо від теоретичної частини до більш захоплюючим речей. Якщо вам цікаво робити щось своїми руками, і вас дивують настільки екзотичні машини, то ця стаття саме для вас, в ній ми з радістю розповімо про різних способах того, як зібрати двигун своїми руками парової. При цьому сам процес створення механізму дарує радість не меншу, ніж його запуск.

Метод 1: міні-паровий двигун своїми руками

Тож почнемо. Зберемо найпростіший паровий двигун своїми руками. Креслення, складні інструменти і особливі знання при цьому не потрібні.

Для початку беремо з-під будь-якого напою. Відрізаємо від неї нижню третину. Так як в результаті отримаємо гострі краї, то їх необхідно загнути всередину плоскогубцями. Робимо це обережно, щоб не порізатися. Так як більшість алюмінієвих банок мають увігнуте дно, то необхідно його вирівняти. Досить щільно притиснути його пальцем до якої-небудь твердої поверхні.

На відстані 1,5 см від верхнього краю отриманого «склянки» необхідно зробити два отвори один навпроти одного. Бажано для цього використовувати дирокол, так як необхідно, щоб вони вийшли в діаметрі не менше 3 мм. На дно банки кладемо декоративну свічку. Тепер беремо звичайну столову фольгу, мнемо її, після чого обертаємо з усіх боків нашу міні-пальник.

Міні-сопла

Далі потрібно взяти шматок мідної трубки довжиною 15-20 см. Важливо, щоб усередині вона була порожнистої, так як це буде наш головний механізм приведення конструкції в рух. Центральну частину трубки обертають навколо олівця 2 або 3 рази, так, щоб вийшла невелика спіраль.

Тепер необхідно розмістити цей елемент так, щоб зігнуте місце розміщувалося безпосередньо над гнітом свічки. Для цього надаємо трубці форми літери «М». При цьому виводимо ділянки, які опускаються вниз, через пророблені отвори в банку. Таким чином, мідна трубка жорстко фіксується над гнітом, а її краї є своєрідними соплами. Для того щоб конструкція могла обертатися, необхідно відігнути протилежні кінці «М-елемента» на 90 градусів в різні боки. Конструкція парового двигуна готова.

Запуск двигуна

Банку розміщують в ємності з водою. При цьому необхідно, щоб краю трубки знаходилися під її поверхнею. Якщо сопла недостатньо довгі, то можна додати на дно банки невеликий грузик. Але будьте обережні - не затоплять весь двигун.

Тепер необхідно заповнити трубку водою. Для цього можна опустити один край в воду, а другим втягувати повітря як через трубочку. Опускаємо банку на воду. Підпалюємо гніт свічки. Через деякий час вода в спіралі перетвориться в пар, який під тиском буде вилітати з протилежних кінців сопел. Банку почне обертатися в ємності досить швидко. Ось такий у нас вийшов двигун своїми руками парової. Як бачите, все просто.

Модель парового двигуна для дорослих

Тепер ускладнити завдання. Зберемо серйозніший двигун своїми руками парової. Для початку необхідно взяти банку з-під фарби. При цьому слід переконатися, що вона абсолютно чиста. На стінці на 2-3 см від дна вирізаємо прямокутник з розмірами 15 х 5 см. Довга сторона розміщується паралельно дну банки. З металевої сітки вирізаємо шматок площею 12 х 24 см. З обох кінців довгої сторони відміряє 6 см. Відгинаємо ці ділянки під кутом 90 градусів. У нас виходить маленький «столик-платформа» площею 12 х 12 см з ногами по 6 см. Встановлюємо отриману конструкцію на дно банки.

По периметру кришки необхідно зробити кілька отворів і розмістити їх у формі півкола уздовж однієї половини кришки. Бажано, щоб отвори мали діаметр близько 1 см. Це необхідно для того, щоб забезпечити належну вентиляцію внутрішнього простору. Паровий двигун не зможе добре працювати, якщо до джерела вогню не потраплятиме достатня кількість повітря.

основний елемент

З мідної трубки робимо спіраль. Необхідно взяти близько 6 метрів м'якої мідної трубки діаметром 1/4-дюйма (0,64 см). Від одного кінця відміряє 30 см. Починаючи з цієї точки, необхідно зробити п'ять витків спіралі діаметром 12 см кожна. Іншу частину труби згинають в 15 кілець діаметром по 8 см. Таким чином, на іншому кінці має залишитися 20 см вільної трубки.

Обидва висновки пропускають через вентиляційні отвори в кришці банки. Якщо виявиться, що довжини прямої ділянки недостатньо для цього, то можна розігнути один виток спіралі. На встановлену заздалегідь платформу кладуть вугілля. При цьому спіраль повинна розміщуватися як раз над цим майданчиком. Вугілля акуратно розкладають між її витками. Тепер банку можна закрити. У підсумку ми отримали топку, яка приведе в дію двигун. Своїми руками паровий двигун майже зроблений. Залишилося небагато.

Ємність для води

Тепер необхідно взяти ще одну банку з-під фарби, але вже меншого розміру. У центрі її кришки свердлять отвір діаметром в 1 см. Збоку банки проробляють ще два отвори - одне майже у дна, друге - вище, у самій кришки.

Беруть два кірка, в центрі яких проробляють отвір з діаметрів мідної трубки. В один корок вставляють 25 см пластикової труби, в іншій - 10 см, так, щоб їх край ледь визирав з пробок. У нижній отвір малої банки вставляють корок з довгою трубкою, в верхнє - більш коротку трубку. Меншу банку розміщуємо на великій банці фарби так, щоб отвір на дні було на протилежному боці від вентиляційних проходів великий банки.

результат

У результаті повинна вийти наступна конструкція. У малу банку заливається вода, яка через отвір в дні випливає в мідну трубку. Під спіраллю розпалюється вогонь, який нагріває мідну ємність. Гарячий пар піднімається по трубці вгору.

Для того щоб механізм вийшов завершеним, необхідно приєднати до верхнього кінця мідної трубки поршень і маховик. В результаті теплова енергія горіння буде перетворюватися в механічні сили обертання колеса. Існує величезна кількість різних схем для створення такого двигуна зовнішнього згоряння, Але у всіх них завжди задіяні два елементи - вогонь і вода.

Крім такої конструкції, можна зібрати паровий але це матеріал для абсолютно окремої статті.

Найчастіше при згадуванні "парових двигунів" на думку спадають паровози або автомобілі Стенлі Стімер, але застосування цих механізмів не обмежується перевезеннями. Парові двигуни, які вперше були створені в примітивному вигляді близько двох тисячоліть тому, за останні три сторіччя стали найбільшими джерелами електроживлення, а сьогодні парові турбіни виробляють близько 80 відсотків світової електроенергії. Щоб глибше зрозуміти природу фізичних сил, на основі яких працює такий механізм, ми рекомендуємо вам зробити свій власний паровий двигун зі звичайних матеріалів, скориставшись одним із запропонованих тут способів! Для початку переходите до кроку 1.

кроки

Паровий двигун з бляшаної банки (для дітей)

Відріжте нижню частину алюмінієвої банки на відстань 6,35 см. За допомогою ножиць по металу рівно відріжте нижню частину алюмінієвої банки приблизно на третину висоти.

Загніть і притисніть ободок за допомогою плоскогубців. Щоб не було гострих країв, загніть ободок банки всередину. Виконуючи цю дію, стежте за тим, щоб не поранитися.

Натисніть на дно банки зсередини, щоб зробити його плоским. У більшості алюмінієвих банок з-під напоїв підставу буде круглим і вигнутим всередину. Вирівняйте дно, натиснувши на нього пальцем або скориставшись невеликим склянкою з плоским дном.

Виконайте два отвори в протилежних сторонах банки, відступивши 1,3 см від верху. Для виконання отворів підійде як паперовий дирокол, так і цвях з молотком. Вам будуть потрібні отвори діаметром трохи більше трьох міліметрів.

Додайте по центру банки маленьку греющую свічку. Скомкають фольгу і покладіть її під низ і навколо свічки, щоб вона не рухалася. Такі свічки зазвичай йдуть в спеціальних підставках, тому віск не повинен плавитися і витікати в алюмінієву банку.

Обмотайте центральну частину мідної трубки довжиною 15-20 см навколо олівця на 2 або 3 витка, щоб вийшов змійовик. Трубка діаметром 3 мм повинна легко згинатися навколо олівця. Вам буде потрібно достатня кількість зігнутої трубки, щоб протягнути поперек банки через верх, плюс додаткові прямі 5 см з кожної зі сторін.

Протягніть кінці трубок в отвори в банку. Центр змійовика повинен розташуватися над гнітом свічки. Бажано, щоб прямі ділянки трубки з обох сторін банки були однакової довжини.

Зігніть кінці труб за допомогою плоскогубців, щоб вийшов прямий кут. Зігніть прямі ділянки трубки таким чином, щоб з різних сторін банки вони дивилися в протилежні напрямки. потім знову зігніть їх, щоб вони опустилися нижче підстави банки. Коли все буде готово, повинно вийти наступне: змієподібна частина трубки знаходиться по центру банки над свічкою і переходить в два похилих, хто дивиться в протилежні сторони "сопла" з двох сторін банки.

Опустіть банку в миску з водою, при цьому кінці трубки повинні зануритися. Ваша "човен" повинна надійно триматися на поверхні. Якщо кінці трубки недостатньо занурені в воду, спробуйте трохи погіршити банку, але ні в якому разі не втопите її.

Заповніть трубку водою. самим простим способом буде опустити один кінець у воду і потягнути з іншого кінця як через соломинку. Також можна пальцем перекрити один вихід з трубки, а другий підставити під струмінь води з-під крана.

Запаліть свічку. Через час вода в трубці нагріється і закипить. У міру перетворення в пар вона буде виходити через "сопла", в результаті чого вся банку почне обертатися в мисці.

Паровий двигун з банки з-під фарби (для дорослих)

1. Проріжте прямокутний отвір біля підстави чотирилітрової банки з-під фарби. Зробіть горизонтальне прямокутний отвір розміром 15 x 5 см збоку банки біля підстави.

   • Необхідно переконатися, що в цій банці (і в ще одній використовуваної) була тільки латексна фарба, а також ретельно вимити її мильною водою перед використанням.

2. Відріжте смужку металевої сітки 12 x 24 см. По довжині з кожного краю відігніть по 6 см під кутом 90 o. У вас вийти квадратна "платформа" 12 x 12 см з двома "ніжками" по 6 см. Встановіть її в банку "ніжками" вниз, вирівнявши її по краях прорізаного отвори.

   Зробіть півколо з отворів по периметру кришки. Згодом ви будете спалювати в банку вугілля, щоб забезпечити паровий двигун теплом. При нестачі кисню вугілля буде погано горіти. Щоб у банку була необхідна вентиляція, просвердлите або пробийте в кришці кілька отворів, які утворюють півколо вздовж країв.

   • В ідеалі діаметр вентиляційних отворів повинен бути близько 1 см.

3. Зробіть змійовик з мідної трубки. Візьміть близько 6 м трубки з м'якої міді діаметром 6 мм і відміряйте з одного кінця 30 см. Починаючи з цієї точки, виконайте п'ять витків діаметром 12 см. Частину, що залишилася довжину труби зігніть в 15 витків діаметром по 8 см. У вас повинно залишитися близько 20 см .

   Пропустіть обидва кінці змійовика в вентиляційні отвори в кришці. Зігніть обидва кінці змійовика таким чином, щоб вони були спрямовані вгору і пропустіть обидва через один з отворів в кришці. Якщо довжини труби не вистачає, то буде потрібно трохи розігнути один з витоків.

   Помістіть змійовик і деревне вугілля в банку. Помістіть змійовик на сітчасту платформу. Заповніть простір навколо і всередині змійовика деревним вугіллям. Щільно закрийте кришку.

   Просвердлите отвори під трубку в банку меншого розміру. По центру кришки літрової банки просвердлите отвір діаметром 1 см. Збоку банки просвердлите два отвори діаметром 1 см - одне біля підстави банки, а друге над ним біля кришки.

   Вставте закупорену пластмасову трубку в бічні отвори меншою банки. За допомогою решт мідної трубки виконайте отвори в центрі двох пробок. В одну пробку вставте жорстку пластмасову трубку завдовжки 25 см, а в іншу пробку - таку ж трубку завдовжки 10 см. Вони повинні щільно сидіти в пробках і трохи виглядати назовні. Вставте пробку з більш довгою трубкою в нижній отвір меншою банки, а пробку з більш короткою трубкою в верхній отвір. Закріпіть трубки в кожній пробці за допомогою хомутів.

   З'єднайте трубку більшою банки з трубкою меншою банки. Додайте меншу банку над більшою, при цьому трубка з пробкою повинна бути спрямована в протилежний бік від вентиляційних отворів більшої банки. За допомогою металевої стрічки закріпіть трубку з нижньої пробки з трубкою, що виходить з нижньої частини мідного змійовика. Потім аналогічним чином закріпіть трубку з верхньої пробки з трубкою, що виходить з верхньої частини змійовика.

   Вставте мідну трубку в сполучну коробку. За допомогою молотка і викрутки видаліть центральну частину круглої металевої електророзподільної коробки. Зафіксуйте хомут під електричний кабель стопорним кільцем. Вставте 15 см мідної трубки діаметром 1,3 см в хомут кабелю, щоб трубка виходила на кілька сантиметрів нижче отвори в коробці. Затупілась краю цього кінця всередину за допомогою молотка. Вставте цей кінець трубки в отвір в кришці меншою банки.

   Вставте шпажку в дюбель. Візьміть звичайну дерев'яну шпажку для барбекю і вставте її в один кінець полого дерев'яного дюбеля довжиною 1,5 см і діаметром 0,95 см. Вставте дюбель зі шпагою в мідну трубку усередині металевої сполучної коробки таким чином, щоб шпажка була спрямована вгору.

   • Під час роботи нашого двигуна шпажка і дюбель будуть діяти як "поршень". Щоб руху поршня було краще видно, можна прикріпити до нього невеликий паперовий "прапорець".

4. Підготуйте двигун до роботи. Зніміть сполучну коробку з меншою верхньої банки і заповніть верхню банку водою, дозволяючи їй виливатися в мідний змійовик, поки банку не буде заповнена водою на 2/3. Перевірте відсутність витоків у всіх місцях з'єднань. Щільно закріпіть кришки банок, застукав їх молотком. Знову встановіть сполучну коробку на місце над меншою верхньої банкою.

5. Запускайте двигун! Скомкають шматки газети і покладіть їх в простір під сіткою в нижній частині двигуна. Коли деревне вугілля розгориться, дайте йому прогоріти близько 20-30 хвилин. У міру нагрівання води в змійовику у верхній банку почне накопичуватися пар. Коли пар досягне достатнього тиску, він виштовхне дюбель і шпажку наверх. Після скидання тиску поршень опуститься вниз під дією сили тяжіння. При необхідності, зріжте частину шпажки, щоб знизити вагу поршня - чим він легше, тим частіше буде "спливати". Постарайтеся зробити шпажку такої ваги, щоб поршень "ходив" в постійному темпі.

   • Можна прискорити процес горіння, посиливши приплив повітря до вентиляційних отворів феном.

6. Дотримуйтесь безпеку. Вважаємо, само собою зрозуміло, що при роботі й жорстоке поводження з саморобним паровим двигуном необхідно дотримуватися обережності. Ніколи не запускайте його в приміщенні. Ніколи не запускайте його біля таких займистих матеріалів, як сухе листя або нависають гілки дерев. Використовуйте двигун тільки на міцній негорючої поверхні на зразок бетону. Якщо ви працюєте з дітьми або підлітками, то вони не повинні залишатися без нагляду. Дітям і підліткам забороняється підходити до двигуна, коли в ньому горить деревне вугілля. Якщо вам не відома температура двигуна, то вважайте, що він настільки гарячий, що до нього не можна торкатися.

   • Переконайтеся, що пара може виходити з верхнього "котла". Якщо з якої-небудь причини поршень застрягне, то всередині меншою банки може накопичитися тиск. При найгіршому розкладі банку може вибухнути, що дуже небезпечно.
• Помістіть паровий двигун в пластмасову човен, опустивши обидва кінці в воду, щоб вийшла парова іграшка. Можна вирізати човен простої форми з пластикової пляшки з-під газованої води або відбілювача, щоб ваша іграшка вийшла більш "екологічної".

Парові машини використовувалися як приводний двигун в насосних станціях, локомотивах, на парових судах, тягачах, парових автомобілях та інших транспортних засобах. Парові машини сприяли значному поширенню комерційного використання машин на підприємствах і з'явилися енергетичною основою промислової революції XVIII століття. Пізніше парові машини були витіснені двигунами внутрішнього згоряння, паровими турбінами, електромоторами і атомними реакторами, коефіцієнт корисної дії яких вище.

Парова машина в дії

Винахід і розвиток

Перше відоме пристрій, що приводиться в рух парою, було описано Героном з Олександрії в першому столітті - це так звана «лазня Герона», або «еоліпіл». Пара, що виходить по дотичній з дюз, закріплених на кулі, змушував останній обертатися. Передбачається, що перетворення пари в механічний рух було відомо в Єгипті в період римського панування і використовувалося в нескладних пристроях.

Перші промислові двигуни

Жодне з описаних пристроїв фактично не було застосовано як засіб вирішення корисних задач. Першим застосованим на виробництві паровим двигуном була «пожежна установка», сконструйована англійським військовим інженером Томасом Сейвері в 1698 році. На свій пристрій Сейвері в 1698 році отримав патент. Це був поршневий паровий насос, і, очевидно, не дуже ефективний, так як тепло пара кожен раз втрачалося під час охолодження контейнера, і досить небезпечний в експлуатації, так як внаслідок високого тиску пара ємності і трубопроводи двигуна іноді вибухали. Так як цей пристрій можна було використовувати як для обертання коліс водяного млина, так і для відкачування води з шахт винахідник назвав його «одним рудокопа».

Потім англійський коваль Томас Ньюкомен в 1712 році продемонстрував свій « атмосферний двигун», Який був першим паровим двигуном, на який міг бути комерційний попит. Це був вдосконалений паровий двигун Сейвері, в якому Ньюкомен істотно знизив робочий тиск пара. Ньюкомен, можливо, базувався на описі експериментів Папена, що знаходяться в Лондонському королівському товаристві, до яких він міг мати доступ через члена суспільства Роберта Гука, який працював з Папеном.

Схема роботи парової машини Ньюкомена.
- Пар показаний бузковим цвітом, вода - синім.
- Відкриті клапани показані зеленим кольором, Закриті - червоним

Першим застосуванням двигуна Ньюкомена була відкачка води з глибокої шахти. У шахтному насосі коромисло було пов'язано з тягою, яка спускалася в шахту до камери насоса. Зворотно-поступальний рух тяги передавалися поршня насоса, який подавав воду наверх. Клапани ранніх двигунів Ньюкомена відкривалися і закривалися вручну. Першим удосконаленням було автоматизація дії клапанів, які наводилися в рух самою машиною. Легенда розповідає, що це удосконалення було зроблено в 1713 році хлопчиком Хемфрі Поттером, який повинен був відкривати і закривати клапани; коли це йому набридало, він пов'язував рукоятки клапанів мотузками і йшов грати з дітьми. До 1715 року вже була створена система важеля регулювання, що приводиться від механізму самого двигуна.

Перша в Росії двоциліндрова вакуумна парова машина була спроектована механіком І. І. Ползуновим в 1763 році і побудована в 1764 році для приведення в дію повітродувних міхів на Барнаульскую Коливано-Воскресенських заводах.

Хемфрі Гейнсборо в 1760-их роках побудував модель парової машини з конденсатором. У 1769 році шотландський механік Джеймс Уатт (можливо, використавши ідеї Гейнсборо) запатентував перші суттєві удосконалення до вакуумному двигуну Ньюкомена, які зробили його значно ефективнішим по витраті палива. Внесок Уатта полягав у відділенні фази конденсації вакуумного двигуна в окремій камері, в той час як поршень і циліндр мали температуру пара. Уатт додав до двигуна Ньюкомена ще кілька важливих деталей: помістив всередину циліндра поршень для виштовхування пара і перетворив зворотно-поступальний руху поршня в обертальний рух приводного колеса.

На основі цих патентів Уатт побудував паровий двигун в Бірмінгемі. До 1782 році паровий двигун Уатта виявився більш ніж в 3 рази продуктивніше машини Ньюкомена. Підвищення ефективності двигуна Уатта призвело до використання енергії пара в промисловості. Крім того, на відміну від двигуна Ньюкомена, двигун Уатта дозволив передати обертальний рух, в той час як в ранніх моделях парових машин поршень був пов'язаний з коромислом, а не безпосередньо з шатуном. Цей двигун вже мав основні риси сучасних парових машин.

Подальшим підвищенням ефективності було застосування пара високого тиску (американець Олівер Еванс і англієць Річард Тревітік). Р.Тревітік успішно побудував промислові однотактовие двигуни високого тиску, відомі як «корнуельського двигуни». Вони працювали з тиском 50 фунтів на квадратний дюйм, або 345 кПа (3,405 атмосфери). Однак зі збільшенням тиску виникала і велика небезпека вибухів в машинах і котлах, що призводило спочатку до численних аварій. З цієї точки зору найбільш важливим елементом машини високого тиску був запобіжний клапан, який випускав надлишковий тиск. Надійна і безпечна експлуатація почалася тільки з накопиченням досвіду і стандартизацією процедур споруди, експлуатації та обслуговування обладнання.

Французький винахідник Ніколас-Йозеф Куньо в 1769 році продемонстрував перший чинне самохідне парове транспортний засіб: "fardier à vapeur" (парову віз). Можливо, його винахід можна вважати першим автомобілем. Самохідний паровий трактор виявився дуже корисним в якості мобільного джерела механічної енергії, що приводив у рух інші сільськогосподарські машини: молотарки, преси та ін. У 1788 році пароплав, побудований Джоном Фітч, вже здійснював регулярне сполучення по річці Делавер між Філадельфією (штат Пенсільванія) і Берлінгтон (штат Нью-Йорк). Він піднімав на борт 30 пасажирів і йшов зі швидкістю 7-8 миль на годину. Пароплав Дж. Фітч ні комерційно успішним, оскільки з його маршрутом конкурувала хороша сухопутна дорога. У 1802 році шотландський інженер Вільям Сімінгтон побудував конкурентоспроможний пароплав, а в 1807 році американський інженер Роберт Фултон використовував паровий двигун Уатта для приводу першого комерційно успішного пароплава. 21 лютого 1804 року на металургійному заводі Пенідаррен в Мертир-Тідвіле в Південному Уельсі демонструвався перший самохідний залізничний паровий локомотив, побудований Річардом Тревитика.

Парові машини зі зворотно-поступальним рухом

Двигуни зі зворотно-поступальним рухом використовують енергію пара для переміщення поршня в герметичній камері або циліндрі. Зворотно-поступальний дію поршня може бути механічно перетворено в лінійне рух поршневих насосів або в обертальний рух для приводу обертових частин верстатів або коліс транспортних засобів.

вакуумні машини

Ранні парові машини називалися спочатку «вогневими машинами», а також «атмосферними» або «конденсуючими» двигунами Уатта. Вони працювали на вакуумному принципі і тому відомі також як «вакуумні двигуни». Такі машини працювали для приводу поршневих насосів, у всякому разі, немає жодних свідчень про те, що вони використовувалися в інших цілях. При роботі парової машини вакуумного типу на початку такту пар низького тиску впускается в робочу камеру або циліндр. Впускний клапан після цього закривається, і пара охолоджується, конденсуючись. У двигуні Ньюкомена охолоджуюча вода розпорошується безпосередньо в циліндр, і конденсат збігає в збірник конденсату. Таким чином створюється вакуум в циліндрі. Атмосферний тиск у верхній частині циліндра тисне на поршень, і викликає його переміщення вниз, тобто робочий хід.

Постійне охолодження і повторне нагрівання робочого циліндра машини було дуже марнотратним і неефективним, проте, ці парові машини дозволяли відкачувати воду з більшої глибини, ніж це було можливо до їх появи. У році з'явилася версія парової машини, створена Уаттом у співпраці з Меттью Боултона, основним нововведенням якої стало винесення процесу конденсації в спеціальну окрему камеру (конденсатор). Ця камера містилася в ванну з холодною водою, і з'єднувалася з циліндром трубкою, перекривається клапаном. До конденсаційної камері була приєднана спеціальна невелика вакуумна помпа (прообраз конденсатного насоса), що приводиться в рух коромислом і служить для видалення конденсату з конденсатора. Новоутворена гаряча вода подавалася спеціальним насосом (прообразом живильного насоса) назад в котел. Ще одним радикальним нововведенням стало закриття верхнього кінця робочого циліндра, у верхній частині якого тепер знаходився пар низького тиску. Цей же пар присутній в подвійній сорочці циліндра, підтримуючи його постійну температуру. Під час руху поршня вгору цей пар по спеціальних трубках передавався в нижню частину циліндра, для того, щоб піддатися конденсації під час наступного такту. Машина, по суті, перестала бути «атмосферної», і її потужність тепер залежала від різниці тисків між парою низького тиску і тим вакуумом, який вдавалося отримати. У паровій машині Ньюкомена мастило поршня здійснювалася невеликою кількістю налитої на нього зверху води, в машині Уатта це стало неможливим, оскільки у верхній частині циліндра тепер знаходився пар, довелося перейти на мастило сумішшю тавоту і нафти. Така ж мастило використовувалася в сальнику штока циліндра.

Вакуумні парові машини, незважаючи на очевидні обмеження їх ефективності, були відносно безпечні, використовували пар низького тиску, що цілком відповідало загальному невисокому рівню котелень технологій XVIII століття. Потужність машини обмежувалася низьким тиском пари, розмірами циліндра, швидкістю згоряння палива і випаровування води в котлі, а також розмірами конденсатора. Максимальний теоретичний ККД був обмежений відносно малою різницею температур по обидві сторони поршня; це робило вакуумні машини, Призначені для промислового використання, занадто великими і дорогими.

стиснення

Випускне вікно циліндра парової машини перекривається дещо раніше, ніж поршень доходить до свого крайнього положення, що залишає в циліндрі кілька відпрацьованого пара. Це означає, що в циклі роботи присутній фаза стиснення, що формує так звану «парову подушку», що сповільнює рух поршня в його крайніх положеннях. Крім того, це усуває різкий перепад тиску на самому початку фази впуску, коли в циліндр надходить свіжий пар.

випередження

Описаний ефект «парової подушки» посилюється також тим, що впуск свіжого пара в циліндр починається дещо раніше, ніж поршень досягне крайнього положення, тобто присутня деяка випередження впуску. Це випередження необхідно для того, щоб перед тим, як поршень почне свій робочий хід під дією свіжого пара, пара встиг би заповнити то мертве простір, яке виникло в результаті попередньої фази, тобто канали впуску-випуску та невикористаний для руху поршня обсяг циліндра.

просте розширення

Просте розширення передбачає, що пар працює тільки при розширенні його в циліндрі, а відпрацьований пар випускається безпосередньо в атмосферу або надходить в спеціальний конденсатор. Залишковий тепло пара при цьому може бути використано, наприклад, для обігріву приміщення або транспортного засобу, а також для попереднього підігріву води, що надходить в котел.

компаунд

У процесі розширення в циліндрі машини високого тиску температура пари падає пропорційно його розширення. Оскільки теплового обміну при цьому не відбувається (адіабатичний процес), виходить, що пар надходить в циліндр з більшою температурою, ніж виходить з нього. Подібні перепади температури в циліндрі призводять до зниження ефективності процесу.

Один з методів боротьби з цим перепадом температур був запропонований в 1804 році англійським інженером Артуром Вульфом, який запатентував Компаундну парову машину високого тиску Вульфа. У цій машині високотемпературний пар з парового котла надходила в циліндр високого тиску, а після цього відпрацьований в ньому пар з більш низькою температурою і тиском надходила в циліндр (або циліндри) низького тиску. Це зменшувало перепад температури в кожному циліндрі, що в цілому знижувало температурні втрати і покращувало загальний коефіцієнт корисної дії парової машини. Пар низького тиску мав більший обсяг, і тому вимагав більшого обсягу циліндра. Тому в компаудних машинах циліндри низького тиску мали більший діаметр (а іноді і велику довжину) ніж циліндри високого тиску.

Така схема також відома під назвою «подвійне розширення», оскільки розширення пара відбувається в дві стадії. Іноді один циліндр високого тиску був пов'язаний з двома циліндрами низького тиску, що давало три приблизно однакових за розміром циліндра. Таку схему було легше збалансувати.

Двоциліндрові компаундні машини можуть бути класифіковані як:

• перехресний компаунд - Циліндри розташовані поруч, їх паропроникну канали перехрещені.
• тандемний компаунд - Циліндри розташовуються послідовно, і використовують один шток.
• кутовий компаунд - Циліндри розташовані під кутом один до одного, зазвичай 90 градусів, і працюють на один кривошип.

Після 1880-х років компаундні парові машини отримали широке поширення на виробництві та транспорті і стали практично єдиним типом, використовуваним на пароплавах. Використання їх на паровозах не отримало такого широкого поширення, оскільки вони виявилися занадто складними, частково через те, що складними були умови роботи парових машин на залізничному транспорті. Незважаючи на те, що компаундні паровози так і не стали масовим явищем (особливо у Великобританії, де вони були дуже мало поширені і взагалі не використовувалися після 1930-х років), вони отримали певну популярність в декількох країнах.

множинне розширення

Спрощена схема парової машини з потрійним розширенням.
Пар високого тиску (червоний колір) від котла проходить через машину, виходячи в конденсатор при низькому тиску (блакитний колір).

Логічним розвитком схеми компаунда стало додавання в неї додаткових стадій розширення, що збільшувало ефективність роботи. Результатом стала схема множинного розширення, відома як машини потрійного або навіть четверного розширення. Такі парові машини використовували серії циліндрів подвійної дії, обсяг яких збільшувався з кожною стадією. Іноді замість збільшення обсягу циліндрів низького тиску використовувалося збільшення їх кількості, так само, як і на деяких компаундних машинах.

Зображення праворуч показує роботу парової машини з потрійним розширенням. Пара проходить через машину зліва направо. Блок клапанів кожного циліндра розташований зліва від відповідного циліндра.

Поява цього типу парових машин стало особливо актуальним для флоту, оскільки вимоги щодо розміру та ваги для суднових машин були не дуже жорсткими, а головне, така схема дозволяла легко використовувати конденсатор, який повертає відпрацьований пар у вигляді прісної води назад в котел (використовувати солону морську воду для живлення котлів було неможливо). Наземні парові машини зазвичай не відчували проблем з харчуванням водою і тому могли викидати відпрацьований пар в атмосферу. Тому така схема для них була менш актуальною, особливо з урахуванням її складності, розміру і ваги. Домінування парових машин множинного розширення закінчилося тільки з появою і широким поширенням парових турбін. Однак в сучасних парових турбінах використовується той же принцип поділу потоку на циліндри високого, середнього та низького тиску.

Прямоточні парові машини

Прямоточні парові машини виникли в результаті спроби подолати один недолік, властивий парових машин з традиційним паророзподіл. Справа в тому, що пар в звичайній паровій машині постійно змінює напрямок свого руху, оскільки і для впуску і для випускання пари застосовується один і той же вікно з кожного боку циліндра. Коли відпрацьований пар залишає циліндр, він охолоджує його стінки і паророзподільні канали. Свіжий пар, відповідно, витрачає певну частину енергії на їх нагрівання, що призводить до падіння ефективності. Прямоточні парові машини мають додаткове вікно, яке відкривається поршнем в кінці кожної фази, і через яке пар залишає циліндр. Це підвищує ефективність машини, оскільки пар рухається в одному напрямку, і температурний градієнт стінок циліндра залишається більш-менш постійним. прямоточні машини одинарного розширення показують приблизно таку ж ефективність, як компаундні машини зі звичайним паророзподіл. Крім того, вони можуть працювати на більш високих оборотах, і тому до появи парових турбін часто застосовувалися для приводу електрогенераторів, що вимагають високої швидкості обертання.

Прямоточні парові машини бувають як одинарного, так і подвійного дії.

парові турбіни

Парова турбіна є серією обертових дисків, закріплених на єдиній осі, званих ротором турбіни, і серію чергуються з ними нерухомих дисків, закріплених на підставі, званих статором. Диски ротора мають лопатки на зовнішній стороні, Пар подається на ці лопатки і крутить диски. Диски статора мають аналогічні лопатки, встановлені під протилежним кутом, які служать для перенаправлення потоку пара на наступні за ними диски ротора. Кожен диск ротора і відповідний йому диск статора називаються щаблем турбіни. Кількість і розмір ступенів кожної турбіни підбираються таким чином, щоб максимально використовувати корисну енергію пара тієї швидкості і тиску, який в неї подається. Виходить з турбіни відпрацьований пар надходить в конденсатор. Турбіни обертаються з дуже високою швидкістю, і тому при передачі обертання на інше обладнання зазвичай використовуються спеціальні понижуючі трансмісії. Крім того, турбіни не можуть змінювати напрямок свого обертання, і часто вимагають додаткових механізмів реверсу (іноді використовуються додаткові ступені зворотного обертання).

Турбіни перетворюють енергію пара безпосередньо в обертання і не вимагають додаткових механізмів перетворення зворотно-поступального руху в обертання. Крім того, турбіни компактніше зворотно-поступальних машин і мають постійне зусилля на вихідному валу. Оскільки турбіни мають більш просту конструкцію, вони, як правило, вимагають меншого обслуговування.

Інші типи парових двигунів

застосування

Парові машини можуть бути класифіковані за їх застосування наступним чином:

стаціонарні машини

паровий молот

Парова машина на старій цукрової фабриці, Куба

Стаціонарні парові машини можуть бути розділені на два типи по режиму використання:

• Машини зі змінним режимом, до яких відносяться машини металопрокатних станів, парові лебідки та подібні пристрої, які повинні часто зупинятися і міняти напрям обертання.
• Силові машини, які рідко зупиняються і не повинні змінювати напрямок обертання. Вони включають енергетичні двигуни на електростанціях, а також промислові двигуни, Що використовувалися на заводах, фабриках і на кабельних залізницях до широкого поширення електричної тяги. Двигуни малої потужності використовуються на суднових моделях і в спеціальних пристроях.

Парова лебідка по суті є стаціонарним двигуном, але встановлена \u200b\u200bна опорній рамі, щоб її можна було переміщати. Вона може бути закріплена тросом за якір і пересунуто власної тягою на нове місце.

Транспортні машини

Парові машини використовувалися для приводу різних типів транспортних засобів, серед них:

• Сухопутні транспортні засоби:
  • паровий автомобіль
  • паровий трактор
  • Паровий екскаватор, і навіть
• Паровий літак.

У Росії перший діючий паровоз був побудований Е. А. і М. Е. Черепанова на Нижньо-Тагильский заводі в 1834 році для перевезення руди. Він розвивав швидкість 13 верст на годину і перевозив більше 200 пудів (3,2 тонни) вантажу. Довжина першої залізниці становила 850 м.

Переваги парових машин

Основною перевагою парових машин є те, що вони можуть використовувати практично будь-які джерела тепла для перетворення його в механічну роботу. Це відрізняє їх від двигунів внутрішнього згоряння, Кожен тип яких вимагає використання певного виду палива. Найбільш помітно це перевага при використанні ядерної енергії, оскільки ядерний реактор не в змозі генерувати механічну енергію, а виробляє лише тепло, яке використовується для вироблення пари, що приводить в рух парові машини (зазвичай парові турбіни). Крім того, є й інші джерела тепла, які не можуть бути використані в двигунах внутрішнього згоряння, наприклад, сонячна енергія. Цікавим напрямком є \u200b\u200bвикористання енергії різниці температур Світового Океану на різних глибинах.

Подібними властивостями також володіють інші типи двигунів зовнішнього згоряння, такі як двигун Стірлінга, які можуть забезпечити досить високу ефективність, але мають істотно більші вага і розміри, ніж сучасні типи парових двигунів.

Парові локомотиви непогано показують себе на великих висотах, оскільки ефективність їх роботи не падає в зв'язку з низьким атмосферним тиском. Паровози до сих пір використовуються в гірських районах Латинської Америки, незважаючи на те, що в рівнинній місцевості вони давно були замінені більш сучасними типами локомотивів.

У Швейцарії (Brienz Rothhorn) і в Австрії (Schafberg Bahn) нові паровози, що використовують сухий пар, довели свою ефективність. Цей тип паровоза був розроблений на основі моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) -х років, з безліччю сучасних удосконалень, таких, як використання роликових підшипників, Сучасна теплоізоляція, спалювання в якості палива легких нафтових фракцій, поліпшені паропроводи, і т.д. В результаті такі паровози мають на 60% менше споживання палива і значно менші вимоги до обслуговування. Економічні якості таких паровозів порівнянні з сучасними дизельними і електричними локомотивами.

Крім того, парові локомотиви значно легше, ніж дизельні і електричні, що особливо актуально для гірських залізниць. Особливістю парових двигунів є те, що вони не потребують трансмісії, передаючи зусилля безпосередньо на колеса.

Коефіцієнт корисної дії

Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплового двигуна може бути визначений як відношення корисної механічної роботи до затрачиваемому кількості теплоти, що міститься в паливі. Інша частина енергії виділяється в навколишнє середовище у вигляді тепла. ККД теплової машини дорівнює

Про історії розвитку парового двигуна, досить докладно описано в цій статті. Тут же - найбільш відомі рішення і винаходи часів 1672-1891 роки.

Перші напрацювання.

Почнемо з того, що ще в сімнадцятому столітті пар стали розглядати як засіб для приводу, проводили з ним усілякі досліди, і лише тільки в 1643 році Еванджеліста Торрічеллі було відкрито силову дію тиску пара. Крістіан Гюйгенс через 47 років спроектував першу силову машину, пускає в хід вибухом пороху в циліндрі. Це був перший прототип двигуна внутрішнього згоряння. На аналогічному принципі влаштована водозабірна машина абата Отфея. Незабаром Дені Папен вирішив замінити силу вибуху на менш потужну силу пара. У 1690 році їм була побудована перша парова машина, Відома також як паровий котел.

Вона складалася з поршня, який за допомогою окропу переміщався в циліндрі вгору і за рахунок подальшого охолодження знову опускався - так створювалося зусилля. Весь процес відбувався таким чином: під циліндром, який виконував одночасно і функцію кип'ятильні котла, розміщували піч; при знаходженні поршня в верхньому положенні піч відсувалася для полегшення охолодження.

Пізніше два англійці, Томас Ньюкомен і Коулі - один коваль, інший скляр, - удосконалили систему шляхом поділу кип'ятильні котла і циліндра і додавання бака з холодною водою. Ця система функціонувала за допомогою клапанів або кранів - одного для пара і одного для води, які по черзі відкривалися і закривалися. Потім англієць Бейтон перебудував клапанне управління в справді тактовое.

Застосування парових машин на практиці.

Машина Ньюкомена незабаром стала відома всюди і, зокрема, була вдосконалена, розробленої Джеймсом Уаттом в 1765 році системою подвійної дії. тепер парова машина виявилася досить завершеною для використання в транспортних засобах, хоча через своїх розмірів краще підходила для стаціонарних установок. Уатт запропонував свої винаходи і в промисловості; він побудував також машини для текстильних фабрик.

Перша парова машина, яка використовується в якості засобу пересування, була винайдена французом Ніколя Жозефом Куньо, інженером і військовим стратегпм-любителем. У 1763 або 1765 році він створив автомобіль, який міг перевозити чотирьох пасажирів при середній швидкості 3,5 і максимальної - 9,5 км / год. За першою спробою послідувала друга - з'явився автомобіль для транспортування знарядь. Випробовувався він, природно, військовими, але через неможливість тривалої експлуатації (безперервний цикл роботи нової машини не перевищував 15 хвилин) винахідник не отримав підтримки влади і фінансистів. Тим часом в Англії удосконалювалася парова машина. Після кількох безуспішних, що базувалися на машині Уаттa спроб Мура, Вільяма Мердока і Вільяма Саймингтона, з'явилося рейковий транспортний засіб Річарда Тревісіка, створений за замовленням Уельської вугільної шахти. У світ прийшов активний винахідник: з підземних шахт він піднявся на землю і в 1802 році представив людству потужний легковий автомобіль, Що досягав швидкості 15 км / год на рівній місцевості і 6 км / год на підйомі.

Наведені в рух парою транспортні засоби все частіше використовувалися і в США: Натан Рід в 1790 році здивував жителів Філадельфії своєї моделлю парового автомобіля. Однак ще більше прославився його співвітчизник Олівер Еванс, який через чотирнадцять років винайшов автомобіль-амфібію. Після наполеонівських воєн, під час яких «автомобільні експерименти» не проводилися, знову почалася робота над винаходом і удосконаленням парової машини. У 1821 році її можна було вважати досконалою і досить надійною. З тих пір кожен крок вперед у сфері приводяться в рух парою транспортних засобів визначено сприяв розвитку майбутніх автомобілів.

У 1825 році сер Голдсуорт Гарні на ділянці довжиною 171 км від Лондона до Бата організував першу пасажирську лінію. При цьому він використовував запатентовану їм карету, що мала паровий двигун. Це стало початком епохи швидкісних дорожніх екіпажів, які, однак, зникли в Англії, але набули широкого поширення в Італії і у Франції. Подібні транспортні засоби досягли найвищого розвитку з появою в 1873 році «реверанс» Амеде Балі вагою 4500 кг і «Манселом» - більш компактного, що важив трохи більше 2500 кг і досягав швидкості 35 км / год. Обидва були провісниками тієї техніки виконання, яка стала характерною для перших «справжніх» автомобілів. Незважаючи на велику швидкість ккд парової машини був дуже маленький. Болле був тим, хто запатентував першу добре діючу систему рульового управління, він так вдало розташував керуючі і контрольні елементи, що ми і сьогодні це бачимо на приладовому щитку.

Незважаючи на грандіозний прогрес в області створення двигуна внутрішнього згоряння, сила пара все ще забезпечувала більш рівномірний і плавний хід машини і, отже, мала багато прихильників. Як і Болле, який побудував і інші легкі автомобілі, наприклад Rapide в 1881 році зі швидкістю руху 60 км / год, Nouvelle в 1873 році, яка мала передню вісь з незалежною підвіскою коліс, Леон Шевроле в період між 1887 і 1907 роками запустив кілька автомобілів з легким і компактним парогенератором, запатентованим їм в 1889 році. Компанія De Dion-Bouton, заснована в Парижі в 1883 році, перші десять років свого існування виробляла автомобілі з паровим двигунами і домоглася при цьому значних успіхів - її автомобілі виграли гонки Париж-Руан в 1894 році.

Успіхи компанії Panhard et Levassor у використанні бензину привели, однак, до того, що і De Dion перейшов на двигуни внутрішнього згоряння. Коли брати Боллє стали управляти компанією свого батька, вони зробили те ж саме. Потім і компанія Chevrolet перебудувала своє виробництво. Автомобілі з паровими двигунами все швидше і швидше зникали з горизонту, хоча в США вони використовувалися ще до 1930 року. На цьому самому моменті і припинилося виробництво і винахід парових машин

Натрапив на цікаву статтю в інтернеті.

"Американський винахідник Роберт Грін розробив абсолютно нову технологію, яка генерує кінетичну енергію шляхом перетворення залишкової енергії (як і інших видів палива). Парові двигуни Гріна посилені поршнем і сконструйовані для широкого спектра практичних цілей."
Ось так, ні більше ні менше: абсолютно нова технологія. Ну природно став дивитися, намагався вникнути. Скрізь написано, одним з найбільш унікальних переваг цього двигуна є здатність генерувати енергію з залишкової енергії двигунів. Точніше кажучи, залишкова вихлопна енергія двигуна може бути перетворена для енергії, що йде до насосів і охолоджуючим системам агрегату. Ну і що з цього, як я зрозумів вихлопними газами доводити воду до кипіння і потім перетворювати пар в рух. Наскільки це необхідно і маловитратно, адже ... хоч цей двигун, як пишуть, і спеціально розроблений з мінімальної кількості деталей, але все таки він скільки то так і стоїть і чи є взагалі сенс город городити, тим більше принципово нового в цьому винаході я не бачу . А механізмів перетворення зворотно-поступального руху в обертальний вже придумано дуже багато. На сайті автора двухцілінровая модель продаестя, в принципі не дорого
всього 46 доларів.
На сайті автора є відео з використанням сонячної енергії, так само є фото де хтось на човні використовує цей двигун.
Але в обох випадках це явно не залишкове тепло. Коротше я сумніваюся в надійності такого двигуна: «Кульові ж опори одночасно є порожніми каналами, за якими в циліндри подається пар.» А яка ваша думка, шановні користувачі сайту?
Статті російською