Войти
Модель балочного двигателя с параллельной связью Джеймса Ватта для двойного действия. 
A мельничный двигатель от Стотт Парк Бобин Завод, Камбрия, Англия 
A паровоз из Восточной Германии. Этот двигатель класса был построен в 1942–1950 годах и эксплуатировался до 1988 года. A паровой двигатель - это тепловая машина, выполняющая механическую работу с использованием пар в качестве его рабочего тела. Паровой двигатель использует силу, создаваемую давлением пара, чтобы толкать поршень вперед и назад внутри цилиндра. Эта толкающая сила преобразуется шатуном и маховиком в вращающую силу для работы. Термин «паровой двигатель» обычно применяется только к поршневым двигателям, как только что описано, а не к паровой турбине.
Паровые двигатели - это двигатели внешнего сгорания, где рабочие жидкость отделяется от продуктов сгорания. Идеальный термодинамический цикл, используемый для анализа этого процесса, называется циклом Ренкина.
Паровой плуг от Кемны В общем смысле термин паровая машина может относиться к любому паровые установки (включая котлы и т. д.), такие как железнодорожные паровозы и переносные двигатели, или могут относиться к поршневым или турбинным машинам в одиночку, как в лучевой машине и стационарной паровой машине.
Устройства с паровым приводом были известны еще в эолипиле в первом веке нашей эры, с некоторыми другими использование записано в 16-17 веках. Водоотливной насос Томаса Сэвери использовал давление пара, действующего непосредственно на воду. Первый коммерчески успешный двигатель, который мог передавать постоянную мощность на машину, был разработан в 1712 году Томасом Ньюкоменом. Джеймс Уатт внес критическое улучшение, переместив отработанный пар в отдельный резервуар для конденсации, что значительно увеличило количество работы, получаемой на единицу потребляемого топлива. К 19 веку стационарные паровые двигатели приводили в действие фабрики промышленной революции. Паровозы заменили парус на кораблях, а на железных дорогах работали паровозы.
Паровые двигатели поршневого типа были доминирующим источником энергии до начала 20 века, когда успехи в конструкции электродвигателей и двигателей внутреннего сгорания постепенно привели к замена поршневых паровых машин в промышленных условиях. Паровые турбины заменили поршневые двигатели в производстве электроэнергии из-за более низкой стоимости, более высокой рабочей скорости и более высокого КПД.
Первым зарегистрированным рудиментарным паровым «двигателем» был эолипил, описанный героем Александрии, математиком и инженером из Римского Египта В первом веке нашей эры. В последующие столетия некоторые известные паровые «двигатели» были, как и эолипил, по существу экспериментальными устройствами, используемыми изобретателями для демонстрации свойств пара. Элементарное устройство паровой турбины было описано Таки ад-Дином в Османском Египте в 1551 году и Джованни Бранка в Италии в 1629 году. Херонимо де Аянц-и-Бомонт получил патенты в 1606 году на 50 изобретений, приводимых в движение паром, включая водяной насос для осушения затопленных шахт. Денис Папин, гугенотский беженец, проделал некоторую полезную работу на паровом варочном котле в 1679 году и впервые использовал поршень для подъема грузов в 1690 году.
Первым коммерческим паровым устройством было водяной насос, разработанный в 1698 г. Томасом Савери. Он использовал конденсирующийся пар для создания вакуума, который поднимал воду снизу, а затем использовал давление пара, чтобы поднять ее выше. Маленькие двигатели были эффективны, хотя большие модели были проблематичными. Они имели ограниченную высоту подъема и были подвержены взрывам котла. Двигатель Savery использовался в шахтах, насосных станциях и для подачи воды на водяные колеса, которые приводили в действие текстильное оборудование. Двигатель Savery был дешевым. Bento de Moura Portugal представил усовершенствованную конструкцию Savery, «чтобы сделать ее способной работать самостоятельно», как описано Джоном Смитоном в «Philosophical Transactions», опубликованном в 1751 году. Она продолжала производиться до конца 18 века. Один двигатель, как было известно, еще работал в 1820 году.
Паровая машина Якоба Леупольда, 1720 год Первый коммерчески успешный двигатель, который мог передавать постоянную мощность на машину был атмосферный двигатель, изобретенный Томасом Ньюкоменом около 1712 года. Он был усовершенствован по сравнению с паровым насосом Савери с использованием поршня, предложенного Папеном. Двигатель Ньюкомена был относительно неэффективным и в основном использовался для перекачивания воды. Он работал путем создания частичного вакуума за счет конденсации пара под поршнем внутри цилиндра. Он использовался для осушения горных выработок на глубинах, которые изначально были непрактичны с использованием традиционных средств, и для обеспечения многоразовой водой для привода водяных колес на заводах, расположенных вдали от подходящей «головы». Вода, прошедшая через колесо, закачивалась в резервуар для хранения над колесом. В 1780 году Джеймс Пикард запатентовал использование маховика и коленчатого вала для обеспечения вращательного движения улучшенного двигателя Ньюкомена.
В 1720 году Джейкоб Лейпольд описал двухцилиндровый паровой двигатель высокого давления. Изобретение было опубликовано в его крупном труде «Theatri Machinarum Hydraulicarum». В двигателе использовались два тяжелых поршня, которые приводили в движение водяной насос. Каждый поршень поднимался давлением пара и возвращался в исходное положение под действием силы тяжести. Два поршня имеют общий четырехходовой поворотный клапан , подключенный непосредственно к паровому котлу.
Ранний насосный двигатель Ватта Следующий важный шаг произошел, когда Джеймс Ватт разработал (1763–1775) улучшенную версию двигателя Ньюкомена с отдельный конденсатор. Ранние двигатели Бултона и Ватта использовали вдвое меньше угля, чем улучшенная версия двигателя Ньюкомена Джона Смитона. Ранние двигатели Ньюкомена и Ватта были «атмосферными». Они приводились в действие за счет давления воздуха, толкающего поршень в частичный вакуум, создаваемый конденсацией пара, вместо давления расширяющегося пара. Цилиндры двигателя должны были быть большими, потому что единственная полезная сила, действующая на них, была атмосферным давлением.
. Ватт усовершенствовал свой двигатель, модифицировав его, чтобы обеспечить вращательное движение, подходящее для привода механизмов. Это позволило расположить заводы вдали от рек и ускорить темпы промышленной революции.
Значение высокого давления вместе с его фактическим значением выше температуры окружающей среды зависит от об эпохе, в которой использовался этот термин. Для раннего использования термина Ван Реймсдейк относится к пару, находящемуся под достаточно высоким давлением, чтобы его можно было выпускать в атмосферу, не полагаясь на вакуум, позволяющий ему выполнять полезную работу. Юинг 1894, стр. 22 говорится, что конденсационные двигатели Ватта были известны в то время как двигатели низкого давления по сравнению с двигателями высокого давления того же периода без конденсации.
Патент Уатта запрещал другим создавать двигатели высокого давления и составные двигатели. Вскоре после истечения срока действия патента Ватта в 1800 году Ричард Тревитик и отдельно Оливер Эванс в 1801 году представили двигатели, использующие пар высокого давления; Тревитик получил патент на двигатель высокого давления в 1802 году, а до этого Эванс сделал несколько рабочих моделей. Они были намного более мощными для данного размера цилиндра, чем предыдущие двигатели, и их можно было сделать достаточно маленькими для использования на транспорте. После этого технологические разработки и усовершенствования методов производства (частично вызванные принятием парового двигателя в качестве источника энергии) привели к разработке более эффективных двигателей, которые могли быть меньше, быстрее или мощнее, в зависимости от предполагаемого применения.
Корнуоллский двигатель был разработан Тревитиком и другими в 1810-х годах. Это был двигатель с составным циклом, который широко использовал пар высокого давления, а затем конденсировал пар низкого давления, что делало его относительно эффективным. Двигатель Корнуолла имел неравномерное движение и крутящий момент во время цикла, ограничивая его главным образом накачиванием. Двигатели Корнуолла использовались в шахтах и для водоснабжения до конца 19 века.
Ранние строители стационарных паровых двигателей считали, что горизонтальные цилиндры будут подвержены чрезмерному износу. Поэтому их двигатели были расположены с вертикальной осью поршня. Со временем горизонтальное расположение стало более популярным, позволяя устанавливать компактные, но мощные двигатели в небольших помещениях.
Кульминацией горизонтального двигателя была паровая машина Корлисса, запатентованная в 1849 году, которая представляла собой четырехклапанный противоточный двигатель с отдельными впускными и выпускными клапанами пара и автоматической регулируемой отсечкой пара. Когда Корлисс был награжден медалью Рамфорда, комитет заявил, что «ни одно изобретение со времен Ватта не увеличило так эффективность паровой машины». Помимо использования на 30% меньше пара, он обеспечивает более равномерную скорость благодаря регулируемому отсечению пара, что делает его хорошо подходящим для производства, особенно для прядения хлопка.
Дорожный локомотив с паровым двигателем из Англии Первые экспериментальные дорожные паровые транспортные средства были построены в конце 18 века, но только после того, как Ричард Тревитик разработал использование пара высокого давления около 1800 года, этот мобильный паровые машины стали практическим предложением. В первой половине 19 века произошел значительный прогресс в проектировании паровых машин, и к 1850-м годам стало возможно производить их на коммерческой основе. Этот прогресс сдерживался законодательством, которое ограничивало или запрещало использование паровых транспортных средств на дорогах. Совершенствование автомобильной техники продолжалось с 1860-х по 1920-е годы. Паровозы использовались для многих целей. В 20-м веке быстрое развитие технологии двигателей внутреннего сгорания привело к прекращению использования парового двигателя в качестве источника движения транспортных средств на коммерческой основе, и относительно немногие из них остались в использовании за пределами Вторая мировая война. Многие из этих автомобилей были приобретены энтузиастами для консервации, и многие экземпляры существуют до сих пор. В 1960-х годах проблемы загрязнения воздуха в Калифорнии вызвали кратковременный интерес к разработке и изучению паровых транспортных средств как возможного средства уменьшения загрязнения. Помимо интереса энтузиастов пара, случайных копий транспортных средств и экспериментальных технологий, в настоящее время паровые транспортные средства не производятся.
Судовые двигатели тройного расширения судовые паровые двигатели на буксире, идущем по океану 1907 года Геркулес В конце XIX века составные двигатели получили широкое распространение.. Составные двигатели выпускали пар в цилиндры последовательно большего размера, чтобы приспособиться к более высоким объемам при пониженном давлении, обеспечивая повышенную эффективность. Эти стадии назывались расширениями, при этом обычно применялись двигатели двойного и тройного расширения, особенно в судоходстве, где эффективность была важна для уменьшения веса перевозимого угля. Паровые двигатели оставались доминирующим источником энергии до начала 20 века, когда прогресс в конструкции паровой турбины, электродвигателей и двигателей внутреннего сгорания постепенно привел к в замене поршневых паровых двигателей с судоходством в 20-м веке с использованием паровой турбины.
Старинное изображение паровоза По мере развития паровых двигателей в течение 18 века предпринимались различные попытки применить их на дорогах и железных дорогах. В 1784 году Уильям Мердок, шотландский изобретатель, построил модель паровоза. Первая действующая модель паровоза была спроектирована и построена пионером пароходов Джоном Фитчем в Соединенных Штатах, вероятно, в 1780-х или 1790-х годах. Его паровоз использовал внутренние колеса с лопастями, которые направлялись по рельсам или гусеницам.
Паровоз [Grand Trunk 600] и операторы, округ Гленгарри, Онтарио, [между 1895 и 1910 годами] Первый полноценный железнодорожный паровоз был построен Ричардом Тревитиком в Соединенное Королевство, а 21 февраля 1804 года состоялось первое в мире железнодорожное путешествие, когда безымянный паровоз Тревитика тащил поезд по трамваю от Pen-y-darren металлургический завод, около Мертир-Тидвил - Аберсинон на юге Уэльса. Конструкция включала ряд важных нововведений, в том числе использование пара высокого давления, что уменьшило вес двигателя и повысило его эффективность. Тревитик посетил район Ньюкасла позже, в 1804 году, и железные дороги угольных шахт на северо-востоке Англии стали ведущим центром экспериментов и разработок паровозов.
Тревитик продолжил свои собственные эксперименты, используя трио локомотивы, завершившиеся Поймай меня, кто может в 1808 году. Только четыре года спустя успешный двухцилиндровый локомотив Саламанка от Мэтью Мюррея использовался перила с краями зубчатая рейка Middleton Railway. В 1825 году Джордж Стивенсон построил Locomotion для Стоктон-энд-Дарлингтонской железной дороги. Это была первая в мире общественная паровая железная дорога, а затем в 1829 году он построил The Rocket, который участвовал и выиграл Rainhill Trials. Ливерпульско-Манчестерская железная дорога открылась в 1830 году и использовала исключительно энергию пара как для пассажирских, так и для грузовых поездов.
Паровозы продолжали производиться до конца двадцатого века в таких местах, как Китай и бывшая Восточная Германия (где DR класса 52.80 был произведен).
Последней важной эволюцией конструкции парового двигателя стало использование паровых турбин, начиная с конца XIX века. Паровые турбины, как правило, более эффективны, чем паровые двигатели с возвратно-поступательным движением поршня (для мощности, превышающей несколько сотен лошадиных сил), имеют меньше движущихся частей и обеспечивают вращательную мощность напрямую, а не через систему шатуна или аналогичные средства. Паровые турбины фактически заменили поршневые двигатели на электростанциях в начале 20 века, где их преимуществами были их эффективность, более высокая скорость, подходящая для работы генератора, и плавное вращение. Сегодня большая часть электроэнергии вырабатывается паровыми турбинами. В Соединенных Штатах 90% электроэнергии производится таким способом с использованием различных источников тепла. Паровые турбины широко применялись для приведения в движение больших кораблей на протяжении большей части 20 века.
Хотя поршневой паровой двигатель больше не имеет широкого коммерческого использования, различные компании изучают или используют потенциал двигателя в качестве альтернативы двигателям внутреннего сгорания. Компания Energiprojekt AB в Швеции добилась прогресса в использовании современных материалов для использования энергии пара. КПД паровой машины Энергипроекта достигает 27–30% на двигателях высокого давления. Это одноступенчатый 5-цилиндровый двигатель (без компаунда) с перегретым паром и потребляет ок. 4 кг (8,8 фунта) пара на кВтч.
Паровая установка состоит из двух основных компонентов: котел или парогенератор и «моторный агрегат», именуемый «паровой машиной». Стационарные паровые машины в стационарных зданиях могут иметь котел и двигатель в отдельных зданиях на некотором расстоянии друг от друга. Для портативного или мобильного использования, такого как паровоз, оба устанавливаются вместе.
Широко используемый поршневой двигатель обычно состоит из чугунного цилиндра, поршня, шатуна и балки или кривошип и маховик, а также разные рычаги. Пар поочередно подавался и выпускался одним или несколькими клапанами. Регулировка скорости была либо автоматической, с помощью регулятора, либо с помощью ручного клапана. В отливке цилиндра имелись отверстия для подачи и отвода пара.
Двигатели, оборудованные конденсатором, относятся к другому типу, чем двигатели с выхлопом в атмосферу.
Часто присутствуют другие компоненты; насосы (например, инжектор ) для подачи воды в котел во время работы, конденсаторы для рециркуляции воды и рекуперации скрытой теплоты парообразования и перегреватели для повышение температуры пара выше точки насыщенного пара и различные механизмы для увеличения тяги для топок. Когда используется уголь, может быть включен цепной или винтовой механизм загрузки и его приводной двигатель или двигатель для перемещения топлива из бункера подачи (бункера) в топку.
тепло, необходимое для кипячения воды и повышения температуры пара, может быть получено из различных источников, чаще всего от сжигания горючих материалов с соответствующей подачей воздуха в замкнутом пространстве (например, камера сгорания, топка, топка ). В случае модельных или игрушечных паровых двигателей и некоторых полномасштабных случаев источником тепла может быть электрический нагревательный элемент.
Промышленный котел, используемый для стационарный паровой двигатель Котлы - это сосуды под давлением, которые содержат воду для кипячения и обладают функциями, передающими тепло воде с максимальной эффективностью.
Два наиболее распространенных типа:
Жаротрубные котлы были основными Этот тип использовался для производства пара высокого давления (типичная практика паровозов), но в конце 19 века они были в значительной степени вытеснены более экономичными водотрубными котлами для морских силовых установок и крупных стационарных установок.
Многие котлы повышают температуру пара после того, как он покидает ту часть котла, где он контактирует с водой. Известный как перегрев, он превращает «влажный пар » в «перегретый пар ». Это предотвращает конденсацию пара в цилиндрах двигателя и дает значительно более высокий КПД.
В паровом двигателе поршневая или паровая турбина или любое другое подобное устройство для выполнения механической работы требует подача пара при высоком давлении и температуре и подача пара при более низком давлении и температуре, используя как можно большую разницу в энергии пара для выполнения механической работы.
Эти «двигательные агрегаты» часто сами по себе называют «паровыми машинами». Двигатели, использующие сжатый воздух или другие газы, отличаются от паровых двигателей только деталями, зависящими от природы газа, хотя сжатый воздух использовался в паровых двигателях без изменений.
Как и во всех тепловых двигателях, большая часть первичной энергии должна выделяться в виде отработанного тепла при относительно низкой температуре.
Простейший поглотитель холода - это выпускать пар в окружающую среду. Это часто используется на паровозах, чтобы избежать веса и большого размера конденсаторов. Часть выпущенного пара выходит в дымоход, чтобы увеличить мощность огня, что значительно увеличивает мощность двигателя, но снижает эффективность.
Иногда отработанное тепло от двигателя полезно само по себе, и в этих случаях можно получить очень высокий общий КПД.
Паровые двигатели на стационарных электростанциях используют поверхностные конденсаторы в качестве поглотителя холода. Конденсаторы охлаждаются потоком воды из океанов, рек, озер и часто градирнями, которые испаряют воду, обеспечивая отвод охлаждающей энергии. Образовавшаяся сконденсированная горячая вода (конденсат) затем снова нагнетается до давления и отправляется обратно в котел. Градирня сухого типа похожа на автомобильныйрадиатор и используется там, где вода стоит дорого. Отработанное тепло также может отводиться испарительными (мокрыми) градирнями, в которых используется вторичный внешний водяной контур, который испаряет часть потока в воздух.
Речные системы использования используемой струйный конденсатор , в котором холодная вода из реки впрыскивается в выхлопной пар двигателя. Смесь охлаждающей воды и конденсата. Хотя это также применяется для морских судов, обычно всего несколько дней работы котел покрывался отложениями соли, сниженной производительности и повышенного риска, взрыва котла. Использование примерно с 1834 года, использование поверхностных конденсаторов на кораблях устранило засорение котлов и повысило эффективность двигателя.
Испаренная вода не может быть повторно для целей (кроме дождя где-нибудь), как речная вода может быть повторно. используется. Во всех случаях питательная вода котла паровой установки должна быть чистой, хранится отдельно от охлаждающей воды или воздуха.
Инжектор использует струю пара для подачи воды в бойлер. Форсунки неэффективны, но достаточно просты, чтобы их можно было использовать на локомотивах. У охранных двигателей есть средства для подачи котловой воды под давлением, так что они могут работать непрерывно. Коммунальные и промышленные котлы используют многоступенчатые центробежные насосы ; однако используются и другие типы. Другим средством подачи питательной воды котла низкого давления является инжектор , в котором используется паровая струя, обычно подаваемая из котла. Инжекторы стали популярными в 1850-х годах, но больше не используются широко, за исключением таких приложений, как паровозы. Повышение давления воды, циркулирующей через паровой котел, позволяет повысить температуру воды до температуры, превышает 100 ° C (212 ° F) точки кипения воды при одном атмосферном давлении, тем самым повысить эффективность паровой цикл.
Индикаторный прибор Ричарда 1875 года. См. Диаграмму индикатора (ниже) В целях безопасности почти все паровые двигатели механизма для контроля котла, такими как манометр и смотровое стекло для контроля уровня воды.
Многие двигатели, как стационарные, так и мобильные, оснащены также регулятором для регулирования скорости двигателя без вмешательства человека.
Самым инструментом для анализа производительности паровых машин является индикатор паровых машин. Ранние версии использовались к 1851 году, но наиболее успешный индикатор был разработан Чарльзом Ричардом для изобретателя и производителя высокоскоростных двигателей Чарльза и выставлен на Лондонской выставке в 1862 году. Индикатор парового двигателя отслеживает на бумаге давление в цилиндре на всем протяжении цилиндра. цикл, который можно использовать для использования различных проблем и расчета мощности. Его обычно использовали инженеры, механики и страховые инспекторы. Индикатор двигателя Внутренняя установка на двигателях сгорания. См. Изображение индикаторной диаграммы ниже (в разделе «Типы моторных агрегатов»).
Центробежный регулятор в двигателе Boulton Watt 1788 Lap Engine.Центробежный регулятор был принят Джеймсом Ваттом для использования на паровом двигателе в 1788 году, после того, как партнер Ватта Боултон увидел его на оборудовании мукомольной мельницы , которую строила Boulton Watt. Регулятор не мог поддерживать заданную скорость, потому что он принял бы новую постоянную скорость в ответ на изменения нагрузки. Регулятор смог справиться с меньшими отклонениями, например, вызванными колебаниями тепловой нагрузки на котел. Кроме того, при изменении скорости наблюдалась тенденция к колебаниям. Как следствие, двигатели, оборудованные только этим регулятором, не подходят для операций, требующих постоянной скорости, таких как прядение хлопка. Регулятор со временем был улучшен, и в сочетании с регулируемой отсечкой пара, хорошее управление скоростью в ответ на нагрузку стало возможным ближе к концу 19 века.
В простом двигателе или «двигателе с одним расширением» заряд проходит через процесс расширения в отдельном цилиндре, хотя простой двигатель может иметь один или несколько отдельных цилиндров. Затем он выбрасывается в атмосферу или в конденсатор. Когда пар расширяется при прохождении через двигатель высокого давления, его температура падает, потому что в системе не добавляется тепло; это известно как адиабатическое расширение и приводит к тому, что пар входит в цилиндр при высокой температуре и выходит при более низкой температуре. Это система запускает систему охлаждения цилиндра с каждым ходом.
Преобладающая потеря эффективности в поршневых паровых двигателях - это конденсация и повторное испарение цилиндра. Паровой цилиндр и прилегающие к нему металлические части / отверстия между ними работают при температуре примерно на полпути температурой насыщения на впуске пара и температурой насыщения, создают давление выхлопных газов. Когда пар высокого давления попадает в рабочий цилиндр, большая часть высокотемпературного пара конденсируется в виде капель воды на металлических поверхностях, что снижает количество пара, доступного для работы с расширением. Когда расширяющийся пар низкого давления (особенно во время такта выпуска), ранее осевшие капли воды, которые только что образовались внутри цилиндра / отверстий, теперь выкипают (повторное испарение), и этот пар больше не работает в цилиндре.
Существуют практические ограничения расширения цилиндра парового двигателя, увеличение площади поверхности цилиндра тенденцию обострять проблемы конденсации и повторного испарения цилиндра. Это сводит на нет теоретические достижения, связанные с высокой степенью расширения в отдельной цилиндре.
Метод очень уменьшения величины потерь энергии в длинном цилиндре был изобретен в 1804 г. Британский инженер Артур Вульф, который запатентовал свой составной двигатель высокого давления Woolf в 1805 году. В составном двигателе пар высокого давления из котла расширяется в цилиндр высокого давления (HP), затем входит в один или несколько первых цилиндров низкого давления (LP) . Теперь полное расширение пара происходит через несколько цилиндров, при этом общее падение температуры внутри каждого цилиндра значительно снижается. При этом расширении пара с меньшим диапазоном температур (в каждом цилиндре) проблема эффективности конденсации и повторного испарения (описанная выше) уменьшается. Это снижает интенсивность системы и охлаждения цилиндров, повышая эффективность двигателя. Посредством ступенчатого расширения в нескольких цилиндрах можно уменьшить колебания крутящего момента. Чтобы получить равную работу от цилиндра более низкого давления, требуется больший объем цилиндра, поскольку этот пар занимает больший объем. Следовательно, внутренний диаметр и, в редких случаях, увеличиваются ход поршня в цилиндрах низкого давления, что приводит к увеличению размера цилиндров.
Двигатели двойного расширения (обычно известные как составные ) расширяют пар в два этапа. Пары могут дублироваться, или работа большого цилиндра низкого давления может быть разделена с выходом одного цилиндра высокого давления на один или другой, что дает трехцилиндровую схему, в которой диаметр цилиндра и поршня примерно одинаково, что делает возвратно-поступательное движение массы легче уравновешивать.
Двухцилиндровые соединения могут быть расположены следующим образом:
С двухцилиндровыми соединениями, используемыми в железнодорожном транспорте, поршни соединены с кривошипами, как у двухцилиндрового простого, на 90 ° не совпадающими по фазе друг с другом (четвертные). Когда группа двойного расширения объединяется, образуя четырехцилиндровый состав, отдельные поршни в группе обычно уравновешиваются на 180 °, устанавливаются на 90 ° друг к другу. В одном случае (первый тип соединения Vauclain ) поршни работали в одной фазе, приводя в движение общую крейцкопф и кривошип, снова установленный под углом 90 °, как для двухцилиндрового двигателя. При трехцилиндровом составном устройстве кривошипы LP были либо установлены на 90 °, либо один HP - на 135 ° относительно двух других, либо в некоторых случаях все три кривошипа были установлены на 120 °.
внедрение компаундирования было обычным для промышленных установок, для дорожных двигателей и почти универсальным для судовых двигателей после 1880 г.; он не был широко популярен в железнодорожных локомотивах, где его часто воспринимали как сложный. Частично это связано с суровыми условиями эксплуатации железных дорог и ограниченным пространством, предоставляемым габаритом погрузки (особенно в Великобритании, где сложное соединение никогда не было распространено и не применялось после 1930 г.). Однако он никогда не был в большинстве случаев, он был популярен во многих других странах.
Анимация упрощенного механизма тройного расширения. Пар высокого давления (красный) входит из котла и проходит через двигатель, выбрасываясь в виде пара низкого давления (синий), обычно в конденсатор. Это логическое продолжение составного двигателя (описанного выше) для разделения расширения на еще большее количество этапов для повышения эффективности. Результатом является механизм множественного расширения . Такие двигатели используют три или четыре ступени расширения и известны как двигатели трех- и четырехкратного расширения соответственно. В этих двигателях используется ряд цилиндров с постоянно увеличивающимся диаметром. Эти цилиндры предназначены для разделения работы на равные доли для каждой ступени расширения. Как и в случае с двигателем двойного расширения, если пространство ограничено, то для ступени низкого давления можно использовать два цилиндра меньшего размера. В двигателях с многократным расширением цилиндры обычно располагались на одной линии, но использовались и другие конструкции. В конце 19 века балансировочная «система» Ярроу-Шлика-Твиди использовалась на некоторых морских двигателях тройного расширения. Двигатели Y-S-T разделили ступени расширения низкого давления между двумя цилиндрами, по одному на каждом конце двигателя. Это позволило лучше сбалансировать коленчатый вал, что привело к более плавной работе двигателя с более быстрой реакцией и меньшей вибрацией. Это сделало четырехцилиндровый двигатель тройного расширения популярным среди больших пассажирских лайнеров (таких как олимпийский класс ), но в конечном итоге он был заменен практически безвибрационным газотурбинным двигателем. Однако следует отметить, что поршневые паровые машины с тройным расширением использовались для управления кораблями времен Второй мировой войны Liberty, которые на сегодняшний день являются наибольшим количеством идентичных кораблей, когда-либо построенных. В Соединенных Штатах было построено более 2700 кораблей по оригинальной британской конструкции.
На изображении в этом разделе показана анимация двигателя тройного расширения. Пар проходит через двигатель слева направо. Клапанная коробка для каждого из цилиндров находится слева от соответствующего цилиндра.
Наземные паровые двигатели могут выпускать свой пар в атмосферу, поскольку питательная вода обычно была легко доступна. До и во время Первой мировой войны расширительный двигатель доминировал в морских приложениях, где высокая скорость судна не имела значения. Однако на смену ей пришло изобретение Великобритании паровая турбина там, где требовалась скорость, например, на военных кораблях, таких как линкоры дредноут и океанские лайнеры. HMS Dreadnought 1905 года был первым крупным военным кораблем, который заменил испытанную технологию поршневого двигателя новой паровой турбиной.
Двухсторонний стационарный двигатель. Это был обычный мельничный двигатель середины 19 века. Обратите внимание на золотниковый клапан с вогнутой нижней стороной почти в форме буквы «D». 
Схема Индикаторная диаграмма, показывающая четыре события в двойном ходе поршня. См.: Контроль и управление (см. Выше) В большинстве поршневых двигателей с возвратно-поступательным движением пар меняет направление своего потока на каждый ход (противоток), входя и выходя из одного конца цилиндра. Полный цикл двигателя занимает один оборот кривошипа и два хода поршня; цикл также включает четыре события - впуск, расширение, выпуск, сжатие. Эти события контролируются клапанами, часто работающими внутри парового резервуара, примыкающего к цилиндру; клапаны распределяют пар, открывая и закрывая отверстия для пара, сообщающиеся с концом (ами) цилиндра, и приводятся в действие клапанным механизмом, которых существует много типов.
Простейшие клапанные механизмы дают события фиксированной длины во время цикла двигателя и часто заставляют двигатель вращаться только в одном направлении. Однако многие из них имеют реверсивный механизм, который дополнительно может обеспечивать средства для экономии пара, поскольку скорость и количество движения достигаются путем постепенного «сокращения отсечки » или, скорее, сокращения события допуска; это, в свою очередь, пропорционально удлиняет период расширения. Однако, поскольку один и тот же клапан обычно управляет обоими потоками пара, короткое отключение при впуске отрицательно влияет на периоды выпуска и сжатия, которые в идеале всегда следует поддерживать достаточно постоянными; если выхлоп слишком короток, весь выхлопной пар не может эвакуировать цилиндр, забивая его и давая чрезмерное сжатие («отдача»).
В 1840-х и 1850-х годах были попытки преодолеть это проблема с помощью различных запатентованных клапанных шестерен с отдельной регулируемой отсечкой расширительный клапан езда на задней части главного золотника; обычно имели фиксированную или ограниченную отсечку. Комбинированная установка давала хорошее приближение к идеальным событиям за счет повышенного трения и износа, механизм тенденции быть сложным. Обычное компромиссное решение заключено в систему нахлеста за счет удлинения трущихся поверхностей клапана таким образом, чтобы оно перекрыло отверстие на стороне впуска, в результате чего выпускная сторона оставалась открытой в течение более длительного периода после отключения на впуске. сторона произошла. С тех пор этот прием считается подходящим для различных целей и позволяет использовать более простые Стивенсон, Джой и Уолшартс. Корлисс, а шестерни тарельчатого клапана имели впускные и выпускные клапаны, приводимые в действие механизма отключения или кулачками, профилированными таким образом, чтобы обеспечить идеальный События; Большинство этих шестерен никогда не применялись за пределами стационарного рынка из-за других проблем, включая утечки и более сложные механизмы.
Перед тем, как фаза выпуска полностью завершена, выпускная сторона закрывается, перекрывая часть отработанного пара внутри цилиндра. Это определяет фазу сжатия, когда образуется паровая подушка, против которой работает поршень, в то время как его скорость быстро уменьшается; кроме того, он предотвращает скачок давления и наступает внезапный впуском пара давления в начале следующего цикла.
Вышеуказанные эффекты дополнительных усилен за счет подачи свинца: как позже было обнаружено с двигателем внутреннего сгорания, с конца 1830-х годов было сочтено полезным продвигать фазу впуска Давая опережение клапана, так что впуск происходит незадолго до конца такт выпуска, чтобы заполнить зазор, отверстие и концы цилиндра (не являющееся внутренним объемом рабочего поршня) до того, как пар создает усилие на поршень.
Схематическая анимация паровой машины с прямыми потоками.. тарельчатые клапаны управляются вращающимся распределительным валом вверху. Пар высокого давления входит, красный цвет, а выхлоп - желтый. Однопоточные двигатели пытаются устранить трудности, возникающие из-за обычного противоточного цикла, когда во время каждого такта отверстия и стенки цилиндра будут охлаждаться проходящим выхлопным паром, в то время как более горячий входящий пар будет тратить часть своей энергии на восстановление рабочей температуры. Целью прямого потока является устранение этого дефекта и повышения эффективности за счет создания дополнительного отверстия, не закрывающего поршень в конце каждого хода, заставляя пар течь только в одном направлении. Таким образом, однопоточный двигатель увеличения эффективности, эквивалентный классическим составным системам, с дополнительным преимуществом в виде превосходных характеристик при частичной нагрузке и сравнимой эффективности с турбинами для небольших двигателей мощностью менее тысячи лошадиных сил. Однако градиент теплового расширения, создаваемый прямоточными двигателями вдоль стенки цилиндра, практические трудности.
Ротор современной паровой турбины, используемой в Установка Паровая турбина, состоящая из одного или нескольких роторов (вращающихся дисков), агрегаты на приводном валу, чередующихся с серией статоров (статических дисков), прикрепленных к корпусу турбины.. Расположение лопастей на внешнем крае роторов похоже на пропеллер. Парует на эти лопасти, вызывая вращательное движение. Статор из аналогичной, но неподвижной серии лопастей, которые создают парапозицию потока на следующую ступень ротора. Паровая турбина часто выпускается в поверхностный конденсатор , который создает вакуум. Ступени паровой турбины обычно расположены так, чтобы извлекать максимальную потенциальную работу из набора скорости и давления пара, создавая серию ступеней высокого и низкого давления переменного размера. Турбины эффективны только в том случае, если они вращаются с высокой скоростью, поэтому они обычно подключаются к передаче управления низкоскоростными приложениями, такими как гребной винт корабля. На подавляющих крупных электростанциях турбины связаны с генератором без редуктора. Типичная скорость составляет 3600 оборотов в минуту (об / мин) в США при мощности 60 Гц и 3000 об / мин в Европе и других странах с системами электроснабжения 50 Гц. В приложениях ядерной энергетики турбины обычно работают на половине этих скоростей, 1800 об / мин и 1500 об / мин. Ротор турбины также может обеспечивать мощность только при вращении в одном направлении. Следовательно, реверсивная ступень или редуктор обычно требуются там, где мощность требуется в противоположном направлении.
Паровые турбины обеспечивают прямое вращательное усилие и, следовательно, не требуют механизма связи для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение. Таким образом, они создают более плавное вращательное усилие на выходном валу. Это способствует снижению требований к техническому обслуживанию и меньшему износу оборудования, которое они приводят в действие, чем сопоставимый поршневой двигатель.
Turbinia - первое судно с паровой турбиной Основное применение для пара турбины используются для производства электроэнергии (в 1990-х годах около 90% мирового производства электроэнергии приходилось на паровые турбины), однако недавнее широкое применение крупных газотурбинных установок и типовых электростанций с комбинированным циклом привело к сокращению этого процента до 80% режима для паровых турбин. В производстве электроэнергии высокая скорость вращения турбины хорошо сочетается со скоростью современных электрогенераторов, которые обычно напрямую подключены к их приводным турбинам. В морской эксплуатации (впервые на Turbinia ) паровые турбины с понижающей передачей (хотя Turbinia имеет прямые турбины к гребным винтам без редуктора) преобладали в силовых установках больших кораблей в конце 20-го века, будучи более эффективными ( и требуют гораздо меньшего обслуживания), чем поршневые паровые двигатели. В последние десятилетия поршневые дизельные двигатели и газовые турбины почти полностью вытеснили паровые двигатели для морских применений.
Практически все атомные электростанции вырабатывают электричество, нагревая воду для производства пара, который приводит в движение турбина, подключенная к электрогенератору. Атомные корабли и подводные лодки либо используют паровую турбину непосредственно в качестве главной силовой установки, а генераторы обеспечивают вспомогательную энергию, либо используют турбоэлектрическую трансмиссию, где пар приводит в движение турбогенератор с силовой установкой от электродвигателей. Изготовлено ограниченное количество железнодорожных паровозов. Некоторые локомотивы с прямым приводом без конденсации действительно имели некоторый успех для грузовых перевозок на дальние расстояния в Швеции и для экспресс-пассажирских перевозок в Великобритании, но не повторились. В других местах, особенно в Соединенных Штатах, более совершенные конструкции с электрической трансмиссией были созданы экспериментально, но не воспроизведены. Было обнаружено, что паровые турбины не идеально подходят для работы на железных дорогах, и эти локомотивы не смогли вытеснить классический поршневой паровой агрегат, как это сделали современные дизельные и электрические тяги.
Работа простого пара с колеблющимся цилиндром. двигатель Паровой двигатель с качающимся цилиндром представляет собой вариант паровой машины простого расширения, которая не требует клапанов для направления пара в цилиндр и из него. Вместо клапанов весь цилиндр качается или колеблется, так что одно или несколько отверстий в цилиндре совпадают с отверстиями в неподвижной поверхности порта или в шарнирном креплении (цапфа ). Эти двигатели в основном используются в игрушках и моделях из-за их простоты, но также использовались в полноразмерных рабочих двигателях, в основном на кораблях, где ценится их компактность.
Вместо цилиндров можно использовать механизм на основе бес поршневого роторного двигателя, например, двигатель Ванкеля и клапанный механизм обычного поршневого парового двигателя. Со времен Джеймса Ватта до наших дней было разработано много таких двигателей, но на самом деле их было построено относительно немного, и еще меньше было запущено в серийное производство; см. ссылку внизу статьи для более подробной информации. Основная проблема заключается в сложности уплотнения роторов, чтобы сделать их паронепроницаемыми перед лицом износа и теплового расширения ; в результате утечка сделала их очень неэффективными. Отсутствие обширной работы или каких-либо средств контроля отсечки также является серьезной проблемой для многих таких конструкций.
К 1840-м годам стало ясно, что эта концепция имеет врожденные проблемы и Роторные двигатели подверглись некоторой насмешке в технической прессе. Однако появление электричества и очевидные преимущества использования динамо-машины непосредственно от высокоскоростного двигателя привели к некоторому возрождению интереса в 1880-х и 1890-х годах, и некоторые конструкции имели ограниченный успех.
Из немногих произведенных в больших количествах проектов примечательны модели компании Hult Brothers Rotary Steam Engine из Стокгольма, Швеция, и сферический двигатель Башня Бошам. Двигатели башни использовались Великой Восточной железной дорогой для привода осветительных динамо на своих локомотивах, а Адмиралтейство - для привода динамо на борту кораблей Королевского флота. В конечном итоге они были заменены в этих нишевых приложениях паровыми турбинами.
эолипил вращается за счет пара, выходящего из рукавов. Этот эффект не использовался на практике. эолипил представляет собой использование пара по принципу ракетной реакции, но не для прямого
В более современное время пар использовался в ограниченном количестве для ракетной техники - особенно для ракетных автомобилей. Паровая ракетная техника работает, наполняя сосуд высокого давления горячей водой под высоким давлением и открывая клапан, ведущий к подходящему соплу. Падение давления немедленно приводит к вскипанию части воды, и пар выходит через сопло, создавая движущую силу.
В 1679 году экипаж Фердинанда Вербие приводился в движение эолипилом.
Паровые двигатели имеют котлы и другие компоненты, которые являются сосудами высокого давления, которые содержат большое количество потенциальной энергии. Утечки пара и взрывы котла (обычно BLEVE ) в прошлом могли и приводили к большим человеческим жертвам. Хотя в разных странах могут существовать различия в стандартах, для обеспечения безопасности применяются строгие законодательные нормы, испытания, обучение, забота о производстве, эксплуатации и сертификации.
Режимы отказа могут включать:
Паровые двигатели часто обладают двумя независимыми механизмами для обеспечения того, чтобы давление в котле не поднималось слишком высоко; один может быть настроен пользователем, второй обычно разработан как предельно отказоустойчивый. В таких предохранительных клапанах традиционно использовался простой рычаг для удержания пробкового клапана в верхней части котла. На одном конце рычага находился груз или пружина, удерживающая клапан против давления пара. Ранние клапаны могли регулироваться машинистами, что приводило ко многим несчастным случаям, когда водитель закреплял клапан, чтобы обеспечить большее давление пара и большую мощность от двигателя. В более поздних типах предохранительных клапанов используется регулируемый подпружиненный клапан, который заблокирован таким образом, чтобы операторы не могли вмешиваться в его регулировку, если только пломба не нарушена незаконно. Такое расположение значительно безопаснее.
Свинцовые плавкие вставки могут присутствовать в короне топки котла. Если уровень воды падает, так что температура короны топки значительно возрастает, свинец плавится и пар выходит, предупреждая операторов, которые затем могут вручную тушить пожар. За исключением самых маленьких котлов, выход пара мало влияет на гашение огня. Заглушки также слишком малы по площади, чтобы значительно снизить давление пара и разгерметизировать котел. Если бы они были больше, объем выходящего пара сам по себе представлял бы опасность для экипажа.
Блок-схема четырех основных устройств, используемых в цикле Ренкина. 1). Насос питательной воды 2). Бойлер или парогенератор 3). Турбина или двигатель 4). Конденсатор; где Q = тепло и W = работа. Большая часть тепла выбрасывается как отходы. Цикл Ренкина является фундаментальной термодинамической основой паровой машины. Цикл представляет собой компоновку компонентов, которая обычно используется для простого производства энергии, и использует фазовый переход воды (кипящая вода с образованием пара, конденсация отработанного пара, получение жидкой воды)) для обеспечения практической системы преобразования тепла / энергии. Тепло подается извне в замкнутый контур, при этом часть добавленного тепла преобразуется в работу, а отходящее тепло отводится в конденсаторе. Цикл Ренкина используется практически во всех приложениях для производства паровой энергии. В 1990-х паровые циклы Ренкина генерировали около 90% всей электроэнергии, используемой во всем мире, включая практически всю солнечную, биомассу, уголь и атомные электростанции. Он назван в честь Уильяма Джона Маккорна Рэнкина, шотландского эрудита .
Цикл Ренкина иногда называют практическим циклом Карно, потому что, когда используется эффективная турбина, диаграмма TS начинает напоминать цикл Карно. Основное отличие состоит в том, что добавление тепла (в котле) и отвод (в конденсаторе) - это изобарические (постоянное давление) процессы в цикле Ренкина и изотермические (постоянная температура ) процессы в теоретическом цикле Карно. В этом цикле используется насос для повышения давления рабочей жидкости, которая поступает из конденсатора в виде жидкости, а не газа. Перекачивание рабочей жидкости в жидкой форме во время цикла требует небольшой доли энергии для ее транспортировки по сравнению с энергией, необходимой для сжатия рабочего тела в газообразной форме в компрессоре (как в цикле Карно ). Цикл поршневого парового двигателя отличается от цикла турбин из-за конденсации и повторного испарения, происходящих в цилиндре или во впускных каналах пара.
Рабочая жидкость в цикле Ренкина может работать как замкнутая система., где рабочая жидкость рециркулирует непрерывно, или может представлять собой систему «разомкнутого цикла», где отработанный пар напрямую выбрасывается в атмосферу, и подается отдельный источник воды, питающей котел. Обычно предпочтительным флюидом является вода из-за ее благоприятных свойств, таких как нетоксичный и инертный химический состав, изобилие, низкая стоимость и ее термодинамические свойства. Ртуть является рабочим телом в турбине на парах ртути. Низкокипящие углеводороды можно использовать в бинарном цикле.
Паровая машина внесла большой вклад в развитие термодинамической теории; Однако единственными приложениями научной теории, которые повлияли на паровой двигатель, были оригинальные концепции использования силы пара и атмосферного давления, а также знание свойств тепла и пара. Экспериментальные измерения, проведенные Ваттом на модели парового двигателя, привели к разработке отдельного конденсатора. Ватт независимо обнаружил скрытую теплоту, что было подтверждено первооткрывателем Джозефом Блэком, который также консультировал Ватта по экспериментальным методикам. Ватт также знал об изменении температуры кипения воды под давлением. В остальном улучшения самого двигателя носили более механический характер. Термодинамические концепции цикла Ренкина действительно дали инженерам понимание, необходимое для расчета эффективности, что помогло в разработке современных котлов высокого давления и температуры, а также паровой турбины.
КПД цикл двигателя может быть рассчитан путем деления выходной энергии механической работы, производимой двигателем, на энергию, вложенную в двигатель при сжигании топлива.
Исторически сложившейся мерой энергоэффективности парового двигателя была его «нагрузка».. Концепция долга была впервые введена Ваттом, чтобы проиллюстрировать, насколько эффективнее его двигатели по сравнению с более ранними конструкциями Ньюкомена. Пошлина - это количество фут-фунтов из работы, выполненной сжиганием одного бушеля (94 фунта) угля. На лучшие образцы дизайнов Ньюкомена приходилось около 7 миллионов, но большинство было ближе к 5 миллионам. Первоначальные конструкции Ватта с низким давлением могли обеспечить нагрузку до 25 миллионов, но в среднем около 17. Это было трехкратным улучшением по сравнению со средней конструкцией Ньюкомена. Первые двигатели Ватта, оснащенные паром высокого давления, увеличили этот показатель до 65 миллионов.
Ни один тепловой двигатель не может быть более эффективным, чем цикл Карно, в котором тепло отводится из высокотемпературного резервуара. к одному при низкой температуре, а эффективность зависит от разницы температур. Для максимальной эффективности паровые двигатели должны работать при максимально возможной температуре пара (перегретый пар ) и выделять отходящее тепло при минимально возможной температуре.
Эффективность цикла Ренкина обычно ограничивается рабочей жидкостью. Если давление рабочей жидкости не достигает сверхкритических уровней, диапазон температур, в котором может работать цикл, невелик; в паровых турбинах температура на входе в турбину обычно составляет 565 ° C (предел ползучести для нержавеющей стали), а температура конденсатора составляет около 30 ° C. Это дает теоретический КПД Карно около 63% по сравнению с фактическим КПД 42% для современной угольной электростанции. Эта низкая температура на входе в турбину (по сравнению с газовой турбиной ) является причиной того, что цикл Ренкина часто используется в качестве нижнего цикла на газотурбинных электростанциях с комбинированным циклом.
Одно из принципиальных преимуществ цикла Ренкина перед другими заключается в том, что на стадии сжатия требуется относительно небольшая работа для приведения в действие насоса, поскольку рабочая жидкость в этот момент находится в жидкой фазе. За счет конденсации жидкости насос потребляет от 1% до 3% мощности турбины (или поршневого двигателя) и способствует гораздо более высокому КПД в реальном цикле. Преимущество этого несколько теряется из-за более низкой температуры подводимого тепла. Газовые турбины, например, имеют температуру на входе в турбину, приближающуюся к 1500 ° C. Тем не менее, КПД реальных больших паровых циклов и больших современных газовых турбин простого цикла достаточно хорошо согласованы.
На практике цикл поршневого парового двигателя, выбрасывающий пар в атмосферу, обычно будет иметь КПД (включая котел) в диапазоне 1–10%, но с добавлением конденсатора, клапанов Corliss, многократного расширения и высокого давления / температуры пара его можно значительно улучшить, исторически до диапазона 10–20%, а очень редко - незначительно.
Современная большая электростанция (вырабатывающая несколько сотен мегаватт электроэнергии) с пароперегревателем, экономайзером и т. д. будет достигать КПД в среднем 40% диапазона, при этом наиболее эффективные агрегаты достигают теплового КПД около 50%.
Также можно улавливать отходящее тепло с помощью когенерации, в которой отходящее тепло используется для нагрева рабочей жидкости с более низкой точкой кипения или в качестве источника тепла для централизованного теплоснабжения с помощью насыщенного пара низкого давления.
Паровоз - GNR N2 Class № 1744 в Weybourne nr. Шерингем, Норфолк
Британская конная тягой пожарная машина с паром -приводной водяной насос
 | Викискладе есть медиафайлы, связанные с паровыми двигателями. |
 | Викицитатник содержит цитаты, связанные с: паровым двигателем |
 | Найдите паровой двигатель в Wiktionary, бесплатном словаре. |
