Паровой двигатель

Паровой двигатель— агрегат, работающий на тепловом принципе ипреобразующий энергию пара в функционирование механических узлов.

Сюда можно включить и паровую турбину, которая также использует похожий принцип. Ниже кратко разберем историю появления, виды, особенности применения и конструктивных особенности такой техники. Отдельно затронем тему актуальности применения на современном этапе.

История паровых машин

Идеи применения силы пара для механической работы появились еще в античности. Известно, что Герон Александрийский в I веке н.э. создал эолипил — аппарат, вращаемый паром.В XVII веке появилась группа таких аппаратов, которые применялись для выкачивания жидкости из шахт и иных целей.

Значительным этапом стало появление атмосферной техники Томаса Ньюкомена в 1698-м. В России первый паровой двигатель создан Иваном Ползуновым в 1765-м в Петербурге.
Техника имела вид конструкции с вертикальным паровым котлом и парой цилиндров. Состав из котла направлялся в цилиндры, где его расширение вызывало движение поршней.

Последнее затем передавалось через механизмы на вращающийся вал, который мог использоваться для привода механизмов.

Важно

Первая паровая машина Ползунова почти не использовалась на практике, но оставила след в истории как один из первых шагов в развитии паровой энергии. Это был ключевой этап в технологическом прогрессе.

Позже он привел к созданию более эффективных и мощных механизмов, оказавших влияние на промышленность и транспорт.

Джеймс Уатт в 1769-м усовершенствовал машину Ньюкомена и Ползунова, добавив отдельный конденсатор и иную технику. Машина изобретателя стала основой для развития технологий в будущем.

В XIX веке паровые машины быстро совершенствовались. Ричард Тревитик в 1804-м построил первый паровоз, который мог перевозить грузы. Роберт Фултон в 1807-м создал пароход «Клермонт», который стал первым коммерчески успешным пароходом.

Паровые машины стали использоваться во всех сферах жизни: на фабриках и заводах, на транспорте и в сельском хозяйстве. В XX веке они были вытеснены лучшими моторами, но все еще используются в некоторых нишах.

Паровой двигатель Джеймса Уатта

Паровая машина Джеймса Уатта считается одним из наиболее удачных изобретений того времени. Она имеет следующие особенности:

1. Отдельный конденсатор. Пар, отработавший в цилиндре, не выводился в атмосферу, а конденсировался. Это позволило повторно использовать воду и повысить эффективность.
2. Двойное действие. Пар направлялся в обе стороны цилиндра, что обеспечивало работу при прямом и обратном ходе поршня. Это увеличивало мощность машины.
3. Параллелограмм Уатта. Механизм, который преобразовывал качательное движение поршня в прямолинейное движение штока. Это позволило использовать машину для привода различных механизмов.
4. Центробежный регулятор. Появилось устройство, которое автоматически регулировало скорость вращения вала. Это повышало стабильность работы техники.

Разработка Уатта была в четыре раза эффективнее машины Ньюкомена.

Она могла развивать большую мощность и подходила для приводных частей различных механизмов. Впоследствии машины Уатта использовались для откачки воды из шахт, рудников и других мест. Их задействовали для привода станков, насосов, а также иных механизмов на фабриках и заводах.

Принцип работы паровой машины

В основе работы парового двигателя лежит циклический процесс, включающийнесколько этапов. На старте осуществляется нагрев воды в котле за счет сжигания горючего: уголь, дрова, нефть или газ. Под действием тепла вода превращается в пар.

Полученный состав под давлением идет в цилиндр, где происходит его расширение. Последнее приводит к поршневому перемещению для создания механического движения.

Поршневой ход преобразуется во вращение вала с применением специальных узлов: КШМ или зубчатые передачи.Отработавший пар выводится из цилиндра в атмосферу или конденсируется для повторного использования. Далее цикл повторяется, обеспечивая непрерывное вращение вала.

Получается, что базовыми компонентами паровой машины являются котел, цилиндр с поршневой частью, узлы преобразования движения, распредузел и конденсатор (если требуется). На этом вопросе еще остановимся подробнее.

Виды паровых двигателей

Рассматриваемые моторы могут быть классифицированы по различным критериям, таким как тип цикла, конструкция, применение и прочие.

По типу цикла:

1. С постоянным расширением пара. Используются в системах с постоянным давлением пара. Сюда входят моторы типа «Стимпак» или «Ранкин».
2. С переменным расширением пара. Работают при переменном давлении пара, что позволяет быть более эффективными при различных нагрузках. Пример — машина «Диксона».

По конструкции:

1. Колесные. Комплектуются паровыми цилиндрами, установленными горизонтально или вертикально. Используют вращающиеся валы для приведения в действие механизмов.
2. Паровые турбины. Более современные моторы, которые используются в турбинных установках, таких как электростанции. Функционируют на принципе действия пара на лопасти турбины, вызывая ее вращение.

Способ применения:

1. Стационарные. Актуальны на стационарных объектах, таких как фабрики, электростанции и прочие.
2. Транспортные. Ставятся на ТС: паровые локомотивы, паровые суда и прочие ТС.

По виду горючего:

1. Угольные. Используют уголь как базовое топливо для нагрева воды и образования пара.
2. Нефтяные. Для работы применяется нефть или нефтепродукты.
3. Газовые. Функционируют на газообразном топливе, таком как природный или сжиженный газ.

Выше приведены лишь базовые категории паровых агрегатов. В зависимости от конкретных условий применения могут быть доступны и другие варианты.

Устройство двигателя в паровозе

Конструктивно промышленные паровые двигатели сформированы из группы элементов, гарантирующие преобразование энергии паровой составляющей в механическую для передвижения поезда. 

Базовые элементы:

1. Котел. Здесь происходит нагрев воды и превращение в пар. Топливо, такое как уголь, дрова или мазут, сжигается, выделяя тепло, которое передается воде.
2. Цилиндры и поршни. Паровозный двигатель обычно имеет пару или более цилиндра, каждый из которых содержит поршень. Пар подается в цилиндры под давлением, где расширяется и толкает поршневые узлы.
3. Распределительный механизм. Контролирует подачу пара в цилиндры и вывод отработанной его части. Контролирует открытие и закрытие клапанов, позволяя пару входить в цилиндр и покидать его в определенные моменты цикла работы агрегата.
4. Приводные колеса. Поршни, двигаясь в цилиндрах под действием пара, передают движение через стержни или шатуны к приводным колесам. Они соединены с поршнями через механизмы передачи, обеспечивая вращение колес и передвижение поезда.
5. Конденсатор (иногда). Некоторые паровозные моторы оснащены конденсатором, который конденсирует отработанный пар для повторного использования.Это повышает эффективность использования пара, сокращая потери тепловой энергии.
6. Смазочная система. Применяется для снижения трения и износа движущихся частей. Обеспечивает обработку поршней, цилиндров, стержней и иных подвижных элементов, улучшая функционирование и продлевая срок службы.

Эти компоненты работают вместе, обеспечивая передвижение паровоза по рельсам.

Котлы для паровой машины

Такие узлы играют ключевую роль в процессе преобразования воды в пар и обеспечения оптимального давления для функционирования. К основным видам котлов относятся следующие:

• Огненно-трубчатые. Это один из главныхтипов котлов для паровых машин. Состоит из большого барабана с трубами, проходящими через него. Топливо (обычно уголь, дрова или мазут) сжигается на одном конце, а вода находится внутри труб и нагревается, превращаясь в пар.
• Водогрейные. Работают по принципу нагрева жидкости до определенной температуры без формирования пара. Вода подается в котел, где нагревается за счет тепла, выделяемого при сжигании топлива.Теплая вода может использоваться непосредственно для нагрева помещений или процессов, либо подается в паровой генератор для преобразования в пар для паровой машины.
• Топливные. Специальные аппараты, которые работают на жидком или газообразном топливе, например, на нефти или газе. Горючее подается в котел, где сгорает, выделяя тепло. Последнее греет жидкость и доводит ее до парообразного состояния.
• Электрические. Электрический нагревательный элемент нагревает воду, преобразуя ее в пар без необходимости сжигания топлива.
• Выбор конкретного типа котла зависит от множества аспектов, включая тип используемого горючего, требуемые параметры пара (давление, температура), эффективность и экономические соображения.

Сегодняшнее применение паровых двигателей

Сегодня паровые двигатели не являются столь распространенными как в прошлом, но они все еще встречаются в некоторых областях:

• Энергетика. Встречаются на тепловых электростанциях для решения задач. Последняя появляется от сжигания угля, нефти, газа или иных видов горючего в электроэнергию.Некоторые солнечные электростанции также используют паровые моторы для преобразования тепла, полученного от солнечных коллекторов, в электричество.
• Промышленность. Паровые ДВС применяются в некоторых производственных процессах, где требуется механическая работа или приведение в движение аппаратуры.Например, они полезны в добыче полезных ископаемых, в текстильной промышленности или производстве бумаги.
• Транспорт. Встречаются в крупных судах или в паровых турбинах, устанавливаемых на поездах или паровозах.

Рассматриваемые агрегаты сохраняются в качестве исторических памятников или в рамках тематических паровых мероприятий и праздников. Многие паровозы и паровые машины стали объектами культурного наследия и туристическими достопримечательностями.

Итог

Паровые машины оказали огромное влияние на промышленность, транспорт и общественную жизнь. На старте XIX века они стали символом промышленной революции, открыв новые возможности в производстве и передвижении. Базирующиеся на тепловом ДВС, они позволили эффективно использовать паровые возможности в машинах и разного рода механизмах.

С течением времени такая техника уступила место более эффективным и экологически чистым технологиям, таким как ДВС и электромоторы. Большая часть агрегатовперебралась на роль исторических артефактов или экспонатов в музеях.

Сегодня такая техника находит применение в узких сферах, таких как тепловая энергетика, где паровые турбины используются в тепловых электростанциях, а также в исторических и культурных целях. В последнем случае они сохраняются как символы прогресса и прошлых достижений.