Паровые двигатели — от первой паровой машины до наших дней

Интерес к водяному пару, как доступному источнику энергии, появился вместе с первыми научными познаниями древних. Приручить эту энергию люди пытались на протяжении трёх тысячелетий. Каковы основные этапы этого пути? Чьи размышления и проекты научили человечество извлекать из него максимальную пользу?

Предпосылки появления паровых двигателей

Потребность в механизмах, способных облегчить трудоёмкие процессы, существовала всегда. Примерно до середины XVIII века для этой цели использовались ветряные мельницы и водяные колеса. Возможность использования энергии ветра напрямую зависит от капризов погоды. А для использования водяных колёс фабрики приходилось строить по берегам рек, что не всегда удобно и целесообразно. Да и эффективность тех и других была чрезвычайно мала. Нужен был принципиально новый двигатель, легко управляемый и лишённый этих недостатков.

История изобретения и совершенствования паровых двигателей

Создание парового двигателя — результат долгих размышлений, удач и крушений надежд множества учёных.

Начало пути

Первые, единичные проекты были лишь интересными диковинками. Например, Архимед сконструировал паровую пушку, Герон Александрийский использовал энергию пара для открывания дверей античных храмов. А заметки о практическом применении энергии пара для приведения в действие иных механизмов исследователи находят в трудах Леонардо да Винчи.

Рассмотрим наиболее значительные проекты по этой тематике.

В XVI веке арабский инженер Таги аль Дин разработал проект примитивной паровой турбины. Однако практического применения она не получила из-за сильного рассеяния струи пара, подаваемой на лопасти колеса турбины.

Перенесемся в средневековую Францию. Физик и талантливый изобретатель Дени Папен после многих неудачных проектов останавливается на следующей конструкции: вертикальный цилиндр заполняли водой, над которой устанавливали поршень.

Цилиндр нагревали, вода закипала и испарялась. Расширяющийся пар приподнимал поршень. Его закрепляли в верхней точке подъёма и ожидали остывания цилиндра и конденсации пара. После конденсации пара в цилиндре образовывался вакуум. Освобожденный от крепления поршень под действием атмосферного давления устремлялся в вакуум. Именно это падение поршня предполагалось использовать как рабочий ход.

Потому паровой двигатель Папена как и большинство последующих проектов получили название пароатмосферных машин.

Эта конструкция обладала весьма существенным недостатком — не была предусмотрена повторяемость цикла. Дени приходит к идее получать пар не в цилиндре, а отдельно в паровом котле.

В историю создания паровых двигателей Дени Папен вошел как изобретатель весьма важной детали — парового котла.

А поскольку пар стали получать вне цилиндра, сам двигатель перешел в разряд двигателей внешнего сгорания. Но из-за отсутствия распределительного механизма, обеспечивающего бесперебойную работу, эти проекты почти не нашли практического применения.

Новый этап в разработке паровых двигателей

Около 50 лет для откачки воды в угольных шахтах использовался паровой насос Томаса Ньюкомена. Он во многом повторял предыдущие конструкции, но содержал весьма важные новинки — трубу для вывода сконденсированного пара и предохранительный клапан для выпуска излишнего пара.

Его существенным минусом было то, что цилиндр приходилось то нагревать перед впрыскиванием пара, то охлаждать перед его конденсацией. Но потребность в таких двигателях была столь высока, что, несмотря на их очевидную неэкономичность, последние экземпляры этих машин прослужили вплоть до 1930 года.

В 1765 году английский механик Джеймс Уатт, занявшись усовершенствованием машины Ньюкомена, отделил конденсатор от парового цилиндра.

Появилась возможность цилиндр держать постоянно нагретым. КПД машины сразу вырос. В последующие годы Уатт значительно усовершенствует свою модель, оснастив её устройством для подачи пара то с одной, то с другой стороны.

Стало возможным использовать эту машину не только как насос, но и для приведения в действие различных станков. Уатт получил патент на свое изобретение — паровой двигатель непрерывного действия. Начинается массовый выпуск этих машин.

К началу XIX века в Англии работало более 320 паровых машин Уатта. Их стали закупать и другие европейские страны. Это способствовало значительному росту промышленного производства во многих отраслях как самой Англии, так соседних государств.

Заводское начальство предложило ему построить агрегат, который приводил бы в действие воздуходувку плавильной печи.

Построенная им машина была двухцилиндровой и обеспечивала непрерывное действие подсоединённого к ней устройства.

Успешно проработав более полутора месяцев, котёл дал течь. Самого Ползунова к этому времени уже не было в живых. Ремонтировать машину не стали. И замечательное творение русского изобретателя-одиночки было забыто.

В силу отсталости России того времени мир узнал об изобретении И. И. Ползунова с большим опозданием….

Итак, для приведения в действие паровой машины необходимо, чтобы пар, вырабатываемый паровым котлом, расширяясь, давил на поршень или на лопасти турбины. А затем их движение передавалось другим механическим частям.

Применение паровых машин на транспорте

Несмотря на то, что КПД паровых двигателей того времени не превышал 5%, к концу XVIII века их стали активно использовать в сельском хозяйстве и на транспорте:

• во Франции появляется автомобиль с паровым двигателем;
• в США начинает курсировать пароход между городами Филадельфия и Берлингтон;
• в Англии продемонстрирован железнодорожный локомотив на паровой тяге;
• российский крестьянин из Саратовской губернии запатентовал построенный им гусеничный трактор мощностью 20 л. с.;
• неоднократно предпринимались попытки построить самолёт с паровым двигателем, но, к сожалению, малая мощность этих агрегатов при большом весе самолёта делала эти попытки неудачными.

Уже к концу XIX столетия паровые двигатели, сыграв свою роль в техническом прогрессе общества, уступают место двигателям внутреннего сгорания и электродвигателям.

Паровые устройства в XXI веке

С появлением новых источников энергии в XX и XXI веке снова появляется потребность в использовании энергии пара. Паровые турбины становятся неотъемлемой частью АЭС. Пар, приводящий их в действие, получают за счёт ядерного топлива.

Широко используются эти турбины и на конденсационных тепловых электростанциях.

В ряде стран проводятся эксперименты по получению пара за счёт солнечной энергии.

Не забыты и поршневые паровые двигатели. В горных местностях в качестве локомотива до сих пор используют паровозы.

Эти надёжные труженики и безопаснее, и дешевле. Линии электропередач им не нужны, а топливо — древесина и дешёвые сорта угля всегда под рукой.

Современные технологии позволяют улавливать до 95% выбросов в атмосферу и повысить КПД до 21%, так, что люди решили пока с ними не расставаться и работают над паровыми локомотивами нового поколения.

Когда автомобиль будет иметь паровой двигатель?

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.