Паровая машина

Горизонтальная стационарная паровая машина

Парова́я маши́на — устройство, в котором пар вызывает движение поршня (вращающего вал) в цилиндре паровой машины. Изменение давления пара в цилиндре вызывает перемещение поршня паровой машины за счёт чего происходит её работа.

Паровая машина относится к группе тепловых двигателей, обязательными элементами которых является рабочее тело, нагреватель и охладитель. Охладитель предназначен для работы в циклическом режиме, если этого не будет, то машина выполнит только один цикл работы.

Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется с помощью кривошипно-шатунного механизма во вращательное движение вала. В паровой машине двойного действия (повышает скорость работы, улучшает плавность хода) пар, с помощью системы парораспределения, поочерёдно подаётся по обе стороны цилиндра, отработанный пар с другой стороны выходит в атмосферу или в конденсат. Для снижения тепловых потерь цилиндр паровой машины окружается паровой рубашкой (камера для поддержания постоянной температуры стенок цилиндра).

Паровоз, приводимый в движение пр помощи парового двигателя

Различают паровые машины многократного расширения, в которых пар последовательно расширяется в 2, 3, 4 цилиндрах возрастающего объёма, переходя из цилиндра в цилиндр через коллекторы (ресиверы). Особую группу составляют прямоточные паровые машины, в которых выпуск пара из полости цилиндра осуществляется кромкой поршня (через дополнительное окно, открывающееся поршнем в конце каждой фазы, через которое пар покидает цилиндр), что повышает эффективность машины.

Исторические предпосылки

Первый механизм изобретен Героном Александрийским, который родился в X веке нашей эры — одним из самых великих изобретателей в истории цивилизации. Открытие намного опередило время и не было использовано.

Устройство назвали «Шар бога ветров Эола» — эолипил, известный так же как «двигатель Герона» или «шар Герона». Он представлял собой закрытую ёмкость, сверху из которой выходило две трубки, скреплённые посередине шаром, который мог вращаться на них. Шар имел пару противопоставленных друг другу г-образных патрубка. В ёмкость через единственное отверстие наливалась вода и пробкой затыкалась наглухо. Под ёмкостью разводили огонь, вода закипала и пар по трубкам поступал в шар и вырывался из патрубков. Под действием реактивной силы шар начинал вращаться, что не могло не производить ошеломительное впечатление на современников Герона.

Копия парового «шара Герона», изготовленная нашими современниками разгонялась до 1500 об/мин, выдавая давление 0,7 атм/кв.дюйм. Некоторые исследователи полагают, что этот механизм изобрёл не Герон. Он всего лишь первым описал его устройство, наряду с ещё 78 механизмами (в труде, известным под названием «Пневматика»). Первым такое устройство вполне мог изготовить Ктесибий Александрийский за три века до Герона, который много идей черпал именно в трудах Ктесибия.

Второе рождение эолипила случилось в 1577 году. Похожую конструкцию изобрёл Таки Аль-Дин, астроном, математик и философ. Третье изобретение эолипила произошло в 1750 году. Оно известно под именем «Сегнерова колеса». Венгерский механик Янош Сегнер создал на принципе эолипила первую гидравлическую турбину (вместо пара колесо вращала вода). Сегнерово колесо до сих пор используется людьми как пример действия гидротурбин и реактивных двигателей для уроков физики, и в поливальных механизмах в парках и сельском хозяйстве.

Первые паровые машины

Первые опыты с паром в качестве средства для привода проводились ещё в XVII веке. В 1680 году Д. Папен изобрёл паровой котёл. В 1698 году Т. Севери изобрёл паровую машину для откачки воды из шахт (паровой нагнетательно-всасывающий насос). В 1707 году насос Севери выписан Петром I и установлен в Летнем саду в Санкт-Петербурге для подачи воды в фонтан.

Совершенствование и интенсивное использование паровых машин началось с XVIII века, когда основной недостаток гидросиловых установок (зависимость от местных условий) стал препятствовать развитию металлургических предприятий, внедрению в производство прядильных, ткацких машин. В 1712 году Т. Ньюкомен изобрёл паровую машину для привода шахтных насосов. В России паровая машина Ньюкомена установлена в 1772 году в Кронштадте для откачки воды из дока. Первая в России паровая машина построена И. И. Ползуновым в 1764—1766 годах для привода воздуходувных мехов плавильных печей. Первая паровая машина как универсальный двигатель впервые создана Джеймсом Уаттом в 1774—1784 годах. В России паровые машины Уатта впервые стали изготовлять под руководством К. К. Гаскойна на Александровской мануфактуре в 1805 году; одна из машин мощностью 60 л. с. (44,1 кВт) в 1820 году поставлена на Санкт-Петербургском монетном дворе. Начиная с 1820 года Ефим Алексеевич и Мирон Ефимович Черепановы построили около 20 паровых машин мощностью от 2 до 60 л. с. (от 1,47 до 44,1 кВт). Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, паровозах, пароходах, паровых автомобилях и других транспортных средствах.

Паровая машина уже ко второй половине XIX века достигла высокой степени совершенства. За 100 лет развития мощность паровых машин повысилась от 5-10 л. с. (3,68-7,35 кВт) до 20 000 л. с. (14,7 МВт); давление подаваемого пара — от 0,01 МПа до 12 МПа; температура пара — от 100 до 400 °C; число оборотов — от 20-30 до 1000 об/мин.

В середине XX века паровые машины вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами, коэффициент полезного действия которых выше. В своём развитии паровые машины способствовали появлению новых областей знания; созданные на основе производственного опыта паровые машины поставили перед учёными ряд вопросов, разрешение которых создало новую науку — техническую термодинамику.

Виды паровых машин

Паровые машины разделяются:

• по назначению — на стационарные, нестационарные (передвижные и транспортные);
• по используемому пару — на низкого давления (до 1,2 МПа), среднего давления (до 6 МПа), высокого давления (свыше 6 МПа);
• по числу оборотов вала — на тихоходные (до 50 об/мин), быстроходные (до 1000 об/мин);
• по давлению выпускаемого пара — на конденсационные (давление в конденсаторе 0,01-0,02 МПа); выхлопные (давление 0,11-0,12 МПа); теплофикационные с отбором пара на нагревательные цели или для паровых турбин (давление от 0,12 МПа до 6 МПа) в зависимости от назначения отбора (например, отопление, регенерация, технологические процессы);
• по расположению цилиндров — на горизонтальные, наклонные, вертикальные;
• по числу цилиндров — на одноцилиндровые, многоцилиндровые, сдвоенные, строенные и др., в которых каждый цилиндр питается первичным паром одних и тех же параметров (включены параллельно).

Принцип работы

Основой функционирования парового двигателя является циклический процесс, состоящий из нескольких этапов. В начале происходит нагрев воды в котле посредством сжигания топлива: угля, дров, нефти или газа. Вследствие воздействия тепла вода преобразуется в пар.

Сформированный пар под давлением поступает в цилиндр, где осуществляется его расширение. Оно приводит к движению поршня, создавая механическое движение. Поршневое движение затем трансформируется во вращение вала с использованием специализированных компонентов: кривошипно-шатунного механизма или зубчатых передач. Отработанный пар выводится из цилиндра в атмосферу или конденсируется для повторного использования. После этого цикл начинается вновь, что обеспечивает непрерывное вращение вала.

Использование в XXI веке

Паровые двигатели не являются распространенными в XXI веке как в прошлом. Они 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. 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.

Ссылки

• Большая Российская энциклопедия. Ю. М. Третьяков.