Так сложилось, что даже люди с техническим образованием мало что знают об этом устройстве. Сегодня мы и восполним этот пробел, вспомним, как устроен паровой двигатель, его принцип действия. Его преимущества, недостатки и применении в современных условиях. И немного о истории изобретения.
Паровая машина кардинально изменила картину мира, произвела революцию в промышленности, на транспорте, дала импульс для новых открытий. Она служила универсальным двигателем на протяжении XIX века, и даже с появлением механизмов, требующих высоких скоростей, не канула в лету. Вместо тихоходной паровой машины ученые разработали быстроходную турбину с одним из самых высоких к.п.д.
История изобретения парового двигателя
Упоминание о первых паровых машинах датировано первым столетием нашей эры. Устройство, описано Героном Александрийским ‒ пар выходил из сопл, закреплённых на шаре, и приводил в движение двигатель.
Правда, настоящая паровая турбина появилась в Египте в 16 веке. Ее изобрел араб Таги-аль-Диноме.
Подобную машину построил 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка. То есть, как только в обществе наступило экономическое благополучие и возникла необходимость в данном механизме, его тот час же изобрели.
В конце 17 века были созданы ещё две модели: в Испании двигатель сконструировал Аянс де Бомонт, а в Англии Эдвард Сомерсет в 1663 году установил паровую установку для закачки воды в Большую башню замка Реглан. Но все проекты быстро сворачивались и забывались. Тогда, как впрочем, и сейчас все новое не воспринималось большинством, и деньги на разработку никто давать не решался.
Паровой котёл создал француз Дени Папен. Он же изобрёл и предохранительный клапан для стравливания избыточного давления. Дело в том, что высокое давление, создаваемое паром, приводило к частым взрывам.
Кстати, в то же время появилось и расхожее выражение: «выпустить пар», которое означало ‒ успокоить нервы, пошумев на окружающих, без сноса собственного котелка и без жертв среди мирного населения.
Но на этом история паровых двигателей не прервалась. Англичанин Томас Ньюкомен в 1712 году сделал шахтный насос для подачи воды на верх. Двигатель Ньюкомена стал пользоваться спросом, с его массового выпуска началась английская промышленная революция.
В России первую паровую машину в 1763 году спроектировал И.И.Ползунов. С ее помощью приводились в действие воздуходувные меха на заводах.
А француз Николас-Йозеф Куньо шесть лет спустя сконструировал первую паровую телегу. Она приводила в движение сельскохозяйственные механизмы.
А в 1788 году Джон Фитч построил пароход, который вмещал 30 человек, и шел со скоростью до 12 километров в час.
В 1804 году на металлургическом заводе в Южном Уэльсе был испытан первый железнодорожный паровой поезд, его построил Ричард Тревитик.
Как устроен паровой двигатель. Принцип действия
Для работы паровой машины потребуется паровой котёл. Поступающий из него пар, расширяется и воздействует на поршень или же на лопатки паротурбины, затем их движение передаётся на другие механические части устройства.
Как устроен паровой двигатель показано на иллюстрации
Движение поршня через шток, ползун, шатун и кривошип передаётся на главный вал, который несет маховик, необходимый для снижения неравномерности вращения.
Эксцентрик, находящийся на главном валу, через эксцентриковую тягу воздействует на золотник, который управляет впуском пара в цилиндре. Пар из цилиндра выбрасывается в атмосферу или направляется в конденсатор.
Чтобы поддерживать постоянное число оборотов вала, при изменении нагрузки, на паровых машинах устанавливают центробежный регулятор, он автоматически изменяет сечение прохода пара, направляемого в паровую машину (при дроссельном регулировании) или момент отсечки наполнения (при количественном регулировании).
Поршень создает в цилиндре парового двигателя одну (две) полости переменного объёма, в них и происходят процессы сжатия и расширения.
Преимущества и недостатки
Основное преимущество паровой машины, как двигателя внешнего сгорания, отделение котла от самой машины. Это дает возможность использовать что угодно в качестве топлива хоть хворост, хоть урановое топливо, что выгодно отличает ее от двигателя внутреннего сгорания ‒ там для каждого типа требуется определённый вид горючего.
Заметнее всего это преимущество в случае с ядерным реактором, который не может производить механическую энергию, а вырабатывает лишь тепло, которое используют для получения пара, вращающего паровые турбины.
В двигателях внешнего сгорания можно использовать и другие источники тепла, например, энергию солнца или энергию разности температур океана на разной глубине.
Интересный факт, паровой локомотив хорошо работает на больших высотах, при чем эффективность двигателя не падает, а, наоборот, растет благодаря низкому атмосферному давлению.
Паровозы и сегодня используют в горной местности Латинской Америки и Китая, при том, что в равнинных районах они давно заменены на более современные типы локомотивов.
Даже в Швейцарии и в Австрии в ходу усовершенствованные тепловозы, работающие на сухом паре. Их разработали на основе модели SLM производства 1930 года. В конструкцию внесли ряд изменений: использовали роликовые подшипники, современную теплоизоляцию, новые виды топлива, специальные паропроводы и ряд других новшеств.
Благодаря этому потребление топлива уменьшилось на 60 процентов, а вес стал ниже, чем у дизельных и электрических аналогов, что актуально для железных дорог, проходящих в горной местности.
Среди других положительных качеств парового двигателя:
высокая надёжность;
возможность эксплуатации при значительных колебаниях нагрузки;
допустимость продолжительных перегрузок;
долговечность;
низкие расходы на эксплуатацию;
простота в обслуживании.
К недостаткам можно отнести:
наличие кривошипно-шатунного механизма;
низкий КПД по сравнению с другими типами двигателей.
Применение в настоящее время
Сегодня паровые машины нашли широкое применение в виде паровых турбин, которые работают как приводы электрогенераторов.
Паровая турбина состоит из вращающихся дисков, которые закреплены на одной оси. Этот узел называется ротором. Также есть статор ‒ его неподвижные диски чередуются с дисками ротора. На дисках ротора размещены лопатки, при попадании на них пара, механизм приходит в движение.
Аналогичные лопатки, только расположенные под противоположным углом, есть и на дисках статора. Они служат для перенаправления струи пара на следующий диск ротора.
Турбина преобразует энергию пара во вращательное движение без каких-либо дополнительных механизмов. То есть преобразование возвратно-поступательного хода во вращательное движение делать не нужно.
Также у турбин меньшие размеры нежели у возвратно-поступательных машин, и они отличаются постоянным усилием на выходном валу. Ещё один плюс ‒ простая конструкция, а значит придётся меньше тратить средств на эксплуатацию.
Сфера использования паровых турбин ‒ производство электроэнергии. Более 85 процентов электрической энергии вырабатывают именно паровые турбины. Также их используют как судовые двигатели, в частности на подводных лодках и атомоходах.
Теперь вы знаете, как устроен паровой двигатель, что паровая машина, изобретённая ещё в первом столетии нашей эры, вовсе не анахронизм, а современное высокотехнологичное устройство, благодаря которому жизнь многих людей стала комфортнее.
Перспективы применения паровых машин на автомобилях имеют пока туманные очертания, но творческая мысль изобретателя не имеет границ и я с полной уверенностью могу предположить, что скоро появятся двигатели с элементами парового носителя
Подписывайтесь на наш блог, чтобы узнать много нового и интересного. Поделитесь этой информацией с друзьями в социальных сетях ‒ пусть они повысят свой технический уровень, ну и вам будет приятно иметь умных друзей.
Современные паровые машины и энергосбережение в малой энергетике
И. С. Трохин, аналитик техники паровых машин, ВИЭСХ Россельхозакадемии
Сущность энергосбережения состоит, в конечном счете, в необходимости повышения эффективности использования топлива. Если говорить о малой генерации, этому в большей степени могут способствовать современные паровые машины, обладающие высоким энергетическим потенциалом.
Поршневой двигатель XXI века унаследовал величественные черты облика классической вертикальной паровой машины
На страницах журнала «Энергосбережение» уже рассматривались технико-технологические основы применения современных паровых поршневых машин [1, 2], унаследовавших от своих классических предшественников (рис. 1) высокую надежность в сочетании с неприхотливостью в эксплуатации. Однако паровые машины сегодняшнего дня находят вполне штатное энергоэффективное применение в малой стационарной энергетике, но пока только за рубежом, например в Германии, Чехии, Италии и некоторых других странах.
Классическая вертикальная паровая машина с золотниковым парораспределением
«Планетарность» современных паровых машин
Для наглядности понимания предназначения современных паровых машин в энергетике уместно ввести условное понятие-аналогию их «планетарности»: как планета Венера является мощным источником высоких температур, несущим в себе тепловую энергию, так и паровая машина сегодня представляется некой «планетой» с большим энергетическим потенциалом, при умелом использовании которого есть возможность повышать эффективность работы электростанций малых (до 1 МВт) и средних (1–10 МВт) мощностей. «Планетарность» проявляется при использовании паровых машин в составе паросиловых мини-ТЭЦ и мини-КЭС: тандем из машины-«планеты» и ее сопутствующего оборудования-«спутников» особенно выгоден как топливосберегающее мероприятие при внедрении в котельных с паровыми котлами. В последнем случае принципиально возможно не только исключить из работы котельной процесс бесполезного дросселирования пара на задвижке, но и обеспечить электроприемники котельной электроэнергией собственного производства, которая будет в разы дешевле закупаемой от централизованных электросетей.
Почему поршень?
Паровая машина как тепловой двигатель (см. справку) используется для получения в основном механической энергии из тепловой в энерговырабатывающих установках на объектах малой энергетики для привода электромашинных генераторов, а иногда и вспомогательного оборудования (к примеру, водяных насосов) малых и средних электростанций. Кроме этого, в некоторых котельных паровые двигатели лопаточного (рис. 2) и винтового (рис. 3) типов тоже внедряются, как далее будет показано, с целью обеспечения попутной электрогенерации.
Лопаточная одноступенчатая паровая турбина или колесо Кертиса
В зарубежной малой энергетике известно и успешно практикуется уже не один год альтернативное пароприводное решение для котельных и тепловых мини-электростанций (мини-ТЭС): вместо малых паровых турбин обоих упомянутых типов используются поршневые паровые машины, точнее паровые моторы. Из последних практически мировую известность получили немецкие Spilling-моторы.
Исторически под паровой машиной понимали работающий на водяном паре тепловой двигатель только поршневого типа (других еще не было). В этом смысле сегодня почти ничего не изменилось. Необходимо все же заметить, что с появлением турбин последние стали называть еще и турбомашинами.
Существуют и так называемые паровинтовые машины, принципиально относящиеся к категории турбин. Только ротор у таких агрегатов выполнен не с лопаточным венцом, а по типу винта Архимеда, обычно цилиндрической конструкции. Однако возможно более оригинальное исполнение – конусно-винтовая турбина (рис. 3).
Вариант исполнения винтовой паровой турбины
Главное энергетическое преимущество современных паровых поршневых машин – меньший, по сравнению с маломощными и особенно одноступенчатыми паровыми турбинами, удельный расход пара при равных параметрах (давлениях и температурах) пара на входе и выходе у сравниваемых двигателей при одинаковых мощностях. Хотя, как показывают исследования [3], энергетическая выгода рассматриваемой поршневой техники сохраняется, если даже параметры пара у сравниваемых электроагрегатов с паровыми двигателями не являются одинаковыми и существует даже некоторый больший перевес с форой в сторону паротурбинных агрегатов мощностью даже в несколько раз больше, чем у агрегатов паромоторных. Верхний предел единичной электрической мощности, например, для электрогенераторной установки со Spilling-мотором составляет 1,2 МВт.
Габаритные размеры и масса паровых моторов на сегодня несколько больше, если сравнивать с паровыми турбинами лопаточного и винтового типов. Однако отсутствие редуктора и дальнейшее совершенствование создаваемых рядом разработчиков поршневых конструкций должны, по всей видимости, свести этот недостаток к минимуму. Но, вообще, последний не имеет первостепенного значения для наземных энергетических установок, и положительный зарубежный опыт эксплуатации паромоторных мини-ТЭС в определенной мере это подтверждает. Американская же компания Cyclone Power Technologies Inc. ведет разработки и испытания паровых моторов со звездо-образным расположением цилиндров (наподобие того, как это делалось раньше на авиационных моторах, к примеру у знаменитого Поликарповского самолета По-2). В прошлом году им удалось достичь высокого коэффициента полезного действия, величина которого составила 31,5% при единичной мощности мотора около 75 кВт.
Из перспективных отечественных паровых поршневых машин стоит отметить паропоршневые двигатели [1, 4–6] – высокооборотные паровые машины с частотой вращения вала 1000 об/мин и выше, которым должны быть присущи, по идеям разработчиков 1 , высокие эксплуатационные свойства (надежность, ресурс и др.).
Сопутствующее оборудование
Вырабатываемая паровой машиной механическая энергия вращения рабочего вала может полезно использоваться, равно как и тепловая (в виде теплового выхлопа отработавшего пара), для обеспечения работы следующего оборудования:
электрогенераторного (синхронного генератора или более дешевого и простого асинхронного [7], например переделанного из асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором) машинного типа, соединяемого без промежуточной механической понижающей или повышающей передачи;
теплоутилизационного: бойлеров-водонагревате-лей пароводяного типа, абсорбционных паровых холодильных установок (последние лучше бромистолитиевые, т.к. они значительно более безопасны в эксплуатации, чем известные в промышленности водоаммиачные холодильные установки);
технологического производственного или вспомогательного: различных насосов, вентиляторов, детандеров (газорасширительных машин), компрессоров, причем как кинематически напрямую, так и, если это необходимо, через соответствующую редукторную или мультипликаторную механическую передачу.
Где и как внедрять?
В качестве объектов, чью энергетическую эффективность можно повысить с использованием современных паровых машин, могут выступать, в частности:
промышленные и муниципальные котельные с паровыми котлами – паровая машина для привода электрогенератора здесь включается на линии дросселирования водяного пара параллельно либо полностью взамен существующего редукционно-охладительного устройства [2], роль которого часто выполняет простая дроссель-задвижка;
паросиловые мини-теплоэлектроцентрали (мини-ТЭЦ), где паровую машину энергетически наиболее целесообразно предусматривать вместо маломощных паровых лопаточных и винтовых турбин, особенно если последние предусматриваются на электрическую мощность до 1,2 МВт и в одноступенчатом исполнении или же в многоступенчатом, но без промежуточного отбора пара;
технологические производственные установки, где по условиям реализации основных процессов выпуска продукции есть возможность с помощью парового котла-утилизатора использовать сбросное тепло (например, в металлургии такими установками могут выступать крупные сталеплавильные печи, а в стекольной промышленности – печи для варки стекла).
Технологические решения для мини-ТЭС – конденсационных мини-электростанций (мини-КЭС) и мини-ТЭЦ – с использованием современных паровых машин принципиально схожи с известными, реализуемыми на паротурбинных мини-ТЭС. Это комбинированное производство электрической и тепловой энергии (когенерация на мини-ТЭЦ, в т.ч. создаваемых на базе котельных с паровыми котлами) либо так называемая тригенерация [2], т.е. комбинированная выработка сразу трех видов энергии одновременно (к примеру, электрической, тепловой и холодильной). В качестве холодопроизводящего оборудования при тригенерации на паросиловых мини-ТЭС используются абсорбционные холодильные машины, для работы которых вполне достаточно отработавшего в паровом двигателе водяного пара. Такой вариант гораздо более экономичен, чем выработка холода с помощью чисто электрических кондиционеров.
Теоретически возможно осуществить технологию квадрогенерации, опять же с использованием современных паровых поршневых машин. Производство четырех видов энергии (скажем, механической для привода технологического производственного оборудования, а также электрической, тепловой и холодильной) в комбинированном режиме реализовать довольно сложно, т.к. все получаемые соответствующие мощности будут взаимозависимы. Однако благодаря тому, что у паровых поршневых машин расход пара через них в определенных пределах весьма слабо зависит от изменений нагрузки, квадрогенерация может стать практически осуществимым энергосберегающим мероприятием для промышленных и муниципальных энергетических объектов. А современная автоматика и микроконтроллерная техника этому могут здорово помочь.
Вывод
Современные паровые поршневые машины вполне могут способствовать энергосбережению в ряде технологических и энергетических установок, в частности тех, у которых при работе выделяется сбросное тепло в виде выхлопных или дымовых газов.
Литература
Дубинин В.С., Шкарупа С.О., Лаврухин М.К. Котельные должны работать автономно // Энергосбережение.– 2011.– № 8.– С. 56–61.
Трохин И.С. Мини-ТЭЦ с паровыми моторами – реальность XXI века // Энергосбережение.– 2012.– № 2.– С. 62–68.
Трохин И.С. Мини-ТЭЦ с паровыми моторами для бесперебойного энергоснабжения ответственных потребителей // Промышленная энергетика.– 2012.– № 9.– С. 15–20.
Дубинин В.С. Обеспечение независимости электро- и теплоснабжения России от электрических сетей на базе поршневых технологий : монография.М. : Изд-во Моск. ин-та энергобезопасности и энергосбережения, 2009. 164 с.
Дубинин В.С., Лаврухин К.М., Алексеевич М.Ю., Шкарупа С.О. Применение паропоршневых технологий в котельных в качестве альтернативы внешнему электропитанию // Энергобезопасность и энергосбережение.– 2010.– № 6.– С. 17–20.
1 Коллектив создателей и испытателей этих двигателей возглавляет В. С. Дубинин, эксперт по отбору инновационных молодежных проектов в рамках российской программы-конкурса «У.М.Н.И.К.», руководитель объединенной научной группы «Промтеплоэнергетика» Московского авиационного института, Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии, Московского энергетического института, Королёвского колледжа космического машиностроения и технологии, Московского института энергобезопасности и энергосбережения, совместно с московской научно-исследовательской молодежной инновационной фирмой «ООО «Новая энергия»».
Интересный факт, паровой локомотив хорошо работает на больших высотах, при чем эффективность двигателя не падает, а, наоборот, растет благодаря низкому атмосферному давлению.
