Надо Знать

добавить знаний



Паровая машина



План:


Введение

Рис. 1. Паровая машина Джеймса Ватта
Рис. 2. Схема паровой машины.
Рис. 3. Работа паровой машины двойного действия.

Паровая машина - тепловой поршневой двигатель внешнего сгорания, в котором потенциальная энергия водяного пары, поступающей в давлением с парового котла, превращается в механическую работу при возвратно-поступательном движении поршня, который через механические звена предоставляет вращательного движения исходном вала. В широком смысле, паровая машина - всякий тепловой двигатель, который преобразует энергию пара в механическую работу.


1. Принцип действия паровой машины поршневого типа

Поршень образует в цилиндре паровой машины одну или две полости переменного объема, в которых осуществляются процессы сжатия и расширения. Принцип действия паровой машины показан на рисунках 2 и 3.

Усилия поршня - 1 с помощью штока - 2, ползуна - 3, шатуна - 4 и кривошипа - 5 передается в виде крутящего момента исходном вала - 6, несет маховик - 7, который служит для уменьшения неравномерности вращения вала. Эксцентрик, который размещен на выходном валу, с помощью эксцентриковой тяги приводит в движение золотник - 8, который управляет подачей пара в полости цилиндра. Отработанная пара из цилиндра выпускается в атмосферу или поступает в конденсатор. Для поддержания постоянной скорости вращения вала при переменной нагрузке паровые машины оснащаются центробежным регулятором (регулятором Вата) - 9, в зависимости от скорости вращения вала, автоматически изменяет или площадь сечения канала прохождения пара, которая подается в паровую машину ( дроссельный регулирования, показано на рисунке), или момент прекращения наполнения цилиндра (количественное регулирование).


2. Классификация

Паровые машины делятся:

  • По назначению:
    • стационарные;
    • нестационарные (передвижные и транспортные).
  • По рабочим давлением пара используется:
    • низкого давления (до 12 ат);
    • среднего давления (до 60 ат);
    • высокого давления (свыше 60 ат).
  • По скорости вращения вала:
    • тихоходные (до 50 об / мин, как на пароходах с гребным колесом);
    • быстроходные.
  • за давлением пара выпускается:
    • конденсационные (давление в конденсаторе 0,1-0,2 ат);
    • выхлопные (с давлением 1,1-1,2 ат);
    • теплофикационные с отбором пара на нагревательные цели или для паровых турбин давлением от 1,2 ата до 60 ата зависимости от назначения отбора (отопление, регенерация, технологические процессы, использование высоких перепадов давления в паровых турбинах).
  • По расположению цилиндров:
    • горизонтальные;
    • наклонные;
    • вертикальные.
  • По числу цилиндров:
    • одноцилиндровые;
    • многоцилиндровые
      • сдвоенные, строенные и т. д.;
      • паровые машины многократного расширения, в которых пара последовательно расширяется в 2-х, 3-х или 4-х цилиндрах с растущим объемом, переходя из цилиндра в цилиндр через так называемые ресиверы (коллекторы).

По типу передаточного механизма паровые машины многократного расширения делятся на тандем-машины и компаунд-машины. Особую группу составляют прямоточные паровые машины, в которых выпуск пара из полости цилиндра осуществляется кромкой поршня.


3. История изобретения

Паровая машина была изобретена в XVIII в., когда основной недостаток гидросиловых установок - зависимости от места расположения источников гидравлической энергии, который был несущественным при строительстве зерновых мельниц, стал сильно препятствовать развитию металлургических предприятий, главным образом из-за невозможности применить водяные колеса для откачивания воды из рудников, удаленных от источников водной энергии. Возможность перевозки топлива сделала тепловой двигатель независимым от месторасположения источника энергии и позволила решать задачу водоотлива в шахтах, в результате чего паросиловые насосные установки первыми появились именно там.

Рис. 4 Двигатель Савери (1698 г.)

3.1. Паровая машина Томаса Севери

Первая попытка поставить пар на службу человеку была предпринята в Англии в 1698 году: машина Т. Севери предназначалась для осушения шахт и перекачивания воды. Сам изобретатель назвал ее "огневой машиной" (fire engine) и "другом шахтеров" (miner's friend) [1] [2] Для получения пара, приводившего машину в действие, нужен огонь. Но изобретение Т. Севери еще не был двигателем в полном смысле этого слова, поскольку кроме нескольких клапанов, открывались и закрывались вручную, в нем не было других механизмов.

Машина Т. Севери работала следующим образом: сначала герметичный резервуар наполнялся паром, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, от чего пара конденсировалась, и в резервуаре создавался частичный вакуум. В результате этого вода со дна шахты засасывалась в резервуар через заборную трубу и после впуска очередной порции пара выбрасывалась наружу через выпускную трубу. Затем цикл повторялся. Таким способом воду можно засасывать из глубины меньше 10 метров, поскольку в действительности ее выталкивал атмосферное давление.


3.2. Паровая машина Дени Папена

Первая удачная паровая машина с поршнем была построена французом Дени Папеном ( фр. Denis Papin ), Чье имя чаще ассоциируется с изобретением автоклава.

В 1674 году Д. Папен построил пороховой двигатель, принцип действия которого основывался на воспламенении в цилиндре пороха и перемещении поршня внутри цилиндра под воздействием пороховых газов. Когда избыток газов выходил из цилиндра через специальный клапан, а оставшийся газ, охлаждался, в цилиндре создавался частичный вакуум, и поршень возвращался в исходное положение под действием атмосферного давления.

Машина была не очень удачной, но она привела Д. Папена на мысль заменить порох водой. И в 1698 году он построил паровую машину (как и англичанин Т. Севери). Вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем внутри, и образовавшийся пар, толкала поршень вверх. Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень опускался вниз под действием атмосферного давления. Таким образом, посредством системы блоков паровая машина Д. Папена могла приводить в движение различные механизмы, например насосы.


3.3. Паровая машина Томаса Ньюкомена

Рис. 5 Анимированная схема работы паровой машины Т. Ньюкомена:
- Пара показана розовым цветом а вода - голубой;
- Клапаны в открытом состоянии обозначены зеленым цветом, в закрытом - красным

Услышав о паровой машине Д. Папена, Томас Ньюкомен, часто бывал на шахтах в Вест Кантри (юго-западный регион Англии), где он работал кузнецом, и лучше чем кто понимал необходимость производительных насосов для предотвращения затопления шахт. Он объединил усилия с водопроводчиком и лудильщиком Дж. Коули в попытке построить более совершенную модель.

Их первая паровая машина была установлена ​​на угольной шахте в Стаффордшире в 1712 году. Как и в машине Д. Папена, поршень перемещался в вертикальном цилиндре, но в целом машина Т. Ньюкомена была изготовлена ​​качественно. Чтобы герметизировать зазор между цилиндром и поршнем, Т. Ньюкомен закрепил на торце последнего гибкий кожаный диск. Пар из котла поступала в полость цилиндра и поднимал поршень вверх. Далее при впрыскивании в цилиндр холодной воды, пара конденсировалась, в цилиндре образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенного с коромыслом, которое осуществляло колеблющийся движение, поднимал вверх шток насоса. Когда поршень находился в нижней точке своего хода, в цилиндр снова поступала пара, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса на поршень поднимался в исходное положение. Далее цикл повторялся [3].

Машина Т. Ньюкомена оказалась довольно удачной и использовалась по всей Европе в течение более 50 лет. В 1740 году машина с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняла работу, как бригада из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, раньше выполняли за неделю. Однако и машина Т. Ньюкомена была далека от совершенства. Она превращала в механическую работу всего лишь около 1% тепловой энергии и, как следствие, требовала большого количества топлива, впрочем, не имело особого значения, когда машина работала на угольных шахтах. В целом машины Т. Ньюкомена сыграли огромную роль в сохранении угольной промышленности: с их помощью удалось возобновить добычу угля во многих затопленных шахтах.

Решая задачу водоподъема, изобретатели (Д. Папен в Франции, Т. Ньюкомен и Т. Севери в Англии и др.). постепенно нашли конструктивные формы для осуществления непрерывного рабочего процесса паровой машины: отдельный паровой котел, цилиндр, топочный устройство краны и др.. Однако это все еще были насосные установки, которые могли направлять работу цикла только на подъем воды и были не в состоянии удовлетворить потребности в двигателях для заводских машин (воздуходувных мехов, рудодробильних средств, кузнечных молотов, лесопильных рам и др.).. Так возник переходный период (1700-1780) в энергетике, когда водяное колесо стало ограничивать развитие техники вследствие зависимости от места расположения источника водной энергии; паровой двигатель, хотя и не был привязан к местным условиям, был пригоден только для подъема воды.

Потребности заводов привели к созданию комбинированных установок, в которых паровой насос поднимал воду на водяное колесо, приводившее в движение заводские машины. Такие установки не решали задачи по заводского двигателя, так теряли на этом гидравлической участке более 2/3 энергии, получалась от парового цикла. Задача могла быть решена только путем замены гидравлической передачи работы механической, разработкой передаточного механизма, способного выполнять паровым циклом работу периодически передавать потребителю непрерывно, в любой необходимой форме движения. Простой передаточный механизм в форме балансира просуществовал целое столетие, поскольку позволил при низком давлении пара поднимать воду на большую высоту за счет разности площадей сечения парового и водяных цилиндров, но не решал главной задачи заводского двигателя - способности выполнять работу непрерывно.


3.4. Универсальная паровая машина двойного действия

Применение двух цилиндров с последовательной отдачей работы их полостей на общий вал было впервые предложено И. Ползуновым в 1763, однако из-за смерти изобретателя проект не был завершен, и машина была разобрана после нескольких пробных запусков.

В 80-х годах XVIII века потребность в универсальном двигателе стала исключительно острой в связи с развитием первого этапа промышленной революции - внедрением в производство прядильных и ткацких машин. Эти новые машины, которые давали возможность одновременной работы многих орудий, определили в последней четверти 18 в. период завершения первого этапа в развитии паровых машин. Задача приобрело конкретную форму: необходимо было превратить паровую насосную установку на двигатель с вращательным движением вала. Решение этой задачи нашло свое отражение в патентах разных стран на паровые машины в 80-х годах XVIII ст. Наибольшее распространение паровая машина (рис. 1) Джеймса Ватта ( Англия), как наиболее экономичная вследствие отделения конденсатора от цилиндра. С 1800 развитие паровой машины и ее внедрение в промышленности и на транспорте идет возрастающими темпами.

Следующим важным шагом в развитии паровых машин высокого давления стало появление машин двойного действия (см. рис.2). В машинах одинарного действия поршень перемещался в одну сторону силой под воздействием давления пара, но обратно он возвращался или под действием сил гравитации или за счет момента инерции вращающегося маховика, соединенного с паровой машиной.

В паровых машинах двойного действия пар под давлением поочередно подается в обе стороны рабочего цилиндра, в то время как отработанный пар с противоположной стороны цилиндра выходит в атмосферу или в конденсатор. Такой принцип требовал создания достаточно сложного механизма распределения пара. Принцип двойного действия повышает скорость работы машины и улучшает плавность хода и увеличивает мощность при той же массе машины. Это способствовало появлению и бурному распространению паровой машины на транспорте - появились: пароход, паровоз, паровой локомобиль, паровой трактор, паровой экскаватор подобное.


3.5. Компаундное паровая машина

В 1804 году английский инженер Артур Вульф, который запатентовал паровую машину двойного расширения (компаундную паровую машину высокого давления Вульфа). В этой машине высокотемпературная пара из парового котла поступал в цилиндр высокого давления, а после этого отработана в нем пара с низкой температурой и давлением поступал в цилиндр (или цилиндры) низкого давления. Это уменьшало перепад температуры в каждом цилиндре, что в целом снижало температурные потери и повышало общий коэффициент полезного действия паровой машины. Поскольку пара низкого давления имела больший объем, поэтому цилиндры низкого давления имели больший диаметр (а иногда и большую длину) чем цилиндры высокого давления. Иногда один цилиндр высокого давления был связан с двумя такими же параллельными цилиндрами низкого давления. Такую схему было легче сбалансировать.

Двоциліндрові компаундні машини можуть бути у наступних конструктивних виконаннях:

Перехресний компаунд - циліндри розташовані поруч, їх паропроводи перехрещені.
Тандемний компаунд - циліндри розташовуються послідовно, і використовують один шток.
Кутовий компаунд - циліндри розташовані під кутом один до одного, зазвичай 90 градусів, і працюють на один кривошип.

Після 1880-х років компаундні парові машини набули поширення на виробництві і транспорті і стали практично єдиним типом, що використовувася у пароплавах. Використання їх на паровозах не отримало такого поширення, оскільки вони виявилися занадто складними для умов використання у залізничному транспорті.

До середини XIX століття сумарна потужність паровозів перевершує потужність фабричних установок. У другій половині XIX століття потужність суднових установок також стає вищою за потужність стаціонарних, а до кінця століття стає найбільшою складовою в загальному балансі встановленої потужності, що досягла 120 млн. к. с.


4. Значення парової машини поршневого типу для розвитку суспільства

Промислова революція - перехід від мануфактурного ручного виробництва до машинного - отримала своє завершення із створенням універсального двигуна. Протягом майже всього 19 ст. парова машина визначала рівень енергетики машинного виробництва і транспорту, темпи і напрям їх розвитку. Парова машина збільшувала потребу в кам'яному вугіллі і задовольняла цю потребу, оскільки вона піднімала вугілля з шахт, вентилювала їх, відкачувала з них воду. Парова машина збільшувала потребу в металі і задовольняла її, оскільки вона нагнітала повітря в доменній печі, приводила в рух ковальські молоти та обертаючи вали прокатних станів. Парова машина поставила нові вимоги до технології металообробки і задовольняла їх, приводячи в рух металообробні верстати, сприяючи становленню і розвитку машинобудування - виробництва машин, що виготовляють машини.

У своєму розвитку парова машина сприяла появі нових галузей знань. Створена на основі виробничого досвіду, парова машина поставила перед ученими ряд питань, вирішення яких створило нову науку - технічну термодинаміку.

К началу XX в. парова машина досягла високого ступеня досконалості. За сто років розвитку потужність парової машини підвищилася від 5-10 к.с. до 20000 к.с., економічність - від 0,3 % до 20 %, тиск пари, що впускається, - від 0,1 ат до 120 ат, температура пари - від 100 до 400, число обертів на хвилину - від 20-30 до 1000 об/хв; питома вага знизилася від сотень до 1-2 кг/к. с.; необхідна площа зменшилася від декількох квадратних метрів до їх сотих доль на 1 к. с. Витрати пари для парової машини високого тиску з багатократним розширенням складають 2,62 кг/к. с. за годину. ККД досяг 20-25 %.

На основі досвіду, набутого у виробництві парових машин, був створений новий поршневий двигун - двигун внутрішнього згорання, в якому згорання відбувається безпосередньо в циліндрі двигуна, тобто в порівнянні з власне паровою машиною усунена одна проміжна ланка (пара, як проміжне робоче тіло, і парокотельний агрегат, як генератор пари). Завдяки малій питомій вазі (тобто відношенню ваги до потужності) двигун внутрішнього згорання набув значного поширення на транспорті. Розвиток парових машин привів і до створення іншого парового двигуна - парової турбіни, в якій видозмінено характер використання пари, що виробляється котельним агрегатом, і замість пульсуючого руху поршня і кривошипно-шатунного механізму використовується безперервне проходження пари через проточну частку двигуна, тобто в порівнянні з власне паровою машиною усунена ланка поршень-кривошипно-шатунний механізм, що дозволило сконцентрувати великі потужності в одному агрегаті. Парова турбіна виявилася найдоцільнішою формою приводу для потужних електрогенераторів, що вимагають рівномірного обертання.


5. Парова турбіна

3D-модель однієї ступені парової турбіни

Парова турбіна - це тепловий двигун безперервної дії, в лопатевому апараті якого потенціальна енергія стиснутої і нагрітої водяної пари перетворюється в кінетичну, що у свою чергу здійснює механічну роботу на валу.

Потік водяної пари поступає через напрямні апарати на криволінійні лопатки, закріплені по коловому периметру ротора, і, діючи на них, призводить ротор в обертання.

Парові турбіни перетворюють енергію пари безпосередньо в обертання ротора і не потребують додаткових механізмів перетворення зворотно-поступального руху в обертовий. Крім того, турбіни компактніші за машини зворотно-поступального руху і мають сталий крутний момент на вихідному валу. Оскільки турбіни мають більш просту конструкцію, вони, як правило, вимагають меншого обслуговування.

Основною сферою застосування парових турбін є вироблення електроенергії. Приблизно 86% електроенергії, виробленої у світі, виробляється з використанням парових турбін. Крім того, вони часто використовуються в якості двигунів суден (у тому числі на атомних кораблях і підводних човнах). Було також побудовано декілька паротурбовозів, але вони не набули поширення і були швидко витіснені тепловозами та електровозами.


6. Коефіцієнт корисної дії парової машини

Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплового двигуна може бути визначений як відношення корисної механічної роботи до затраченої на її виконання кількості теплоти, що міститься в паливі. Решта енергії виділяється в навколишнє середовище у вигляді тепла. ККД теплової машини дорівнює:

\eta = \frac{W_{out}}{Q_{in}} ,

где

W out - механічна робота, Дж;
Q in - затрачена кількість теплової енергії, Дж.

Тепловий двигун не може мати ККД більший, ніж у циклу Карно, в якому частина теплоти передається від нагрівача з високою температурою до холодильника з низькою температурою. ККД ідеальної теплової машини Карно залежить виключно від різниці температур, причому в розрахунках використовується абсолютна температура. Отже, для парових двигунів необхідні максимально висока температура T 1 на початку циклу (досягається, наприклад, за допомогою перегрівання пари) і як можна нижча температура T 2 в кінці циклу (наприклад, за допомогою конденсатора):

\eta \le 1 - \frac{T_2}{T_1} .

Паровий двигун, який випускає пару у повітря, матиме практичний ККД (враховуючи котел) від 1 до 8%, однак двигун з конденсатором і розширенням проточної частини може покращити ККД до 25% і навіть більше. Теплова електростанція з пароперегрівом і регенеративним водопідігрівом може досягти ККД 30...42%. Парогазові установки з комбінованим циклом, в яких енергія палива спочатку використовується для приводу газової турбіни, а потім для парової турбіни, можуть досягати коефіцієнта корисної дії до 50...60%. На теплоелектроцентралях ефективність підвищується за рахунок використання частково відпрацьованої пари для опалення та виробничих потреб. При цьому ефективно споживається до 90% енергії палива і лише 10% розсіюється марно в атмосфері.


7. Сфери застосування

Вплоть до середины XX в. паровые машины широко применялись в тех сферах, где их положительные качества (большая надежность, возможность работы с большими колебаниями нагрузки, возможность длительных перегрузок, долговечность, невысокие эксплуатационные расходы, простота обслуживания и легкость реверсирования) делали применение паровой машины целесообразным, чем применение других двигателей, несмотря на ее недостатки, обусловленные главным образом из наличия кривошипно-шатунного механизма. К таким областям относятся: железнодорожный транспорт (см. паровоз) водный транспорт (см. пароход), где паровая машина делила свое применение с двигателями внутреннего сгорания и паровыми турбинами, промышленные предприятия с силовым и тепловым потреблением: сахарные заводы, спичечные, текстильные, бумажные фабрики, отдельные пищевые предприятия. Характер теплового потребления этих предприятий определял тепловую схему установки и соответствующего ей тип паровой машины теплофикации: с конечным или промежуточным отбором пара. Установки теплофикации дают возможность уменьшать на 5-20% расход топлива по сравнению с раздельными установками, состоящими из конденсационных паровых машин и отдельных котельных, производящих пар на технологические процессы и отопления. Проведенные в те времена исследования показали целесообразность перевода раздельных установок теплофикации на регулируемый отбор пара из ресивера паровой машины двойного расширения. Возможность работы на любых видах топлива делала целесообразным применение паровых машин для работы на отходах производства и сельского хозяйства: на лесозавод, в локомобильных установках и т.д., особенно при наличии теплового потребления, как, например, на деревообрабатывающих предприятиях, имеющих горючие отходы и потребляют низкопотенциальное тепло для целей сушки лесоматериалов. Паровая машина удобна для применения в безрельсовом транспорте, поскольку не требует коробки скоростей, однако она не получила здесь распространение через некоторые конструктивные трудности.


Примечания

  1. University of Rochester, NY, The growth of the steam engine online history resource, chapter one ". History.rochester.edu. - www.history.rochester.edu/steam/thurston/1878/Chapter1.html
  2. Savery, Thomas The Miner's Friend: Or, an Engine to Raise Water by Fire, S. Crouch, 1827. - books.google.co.uk / books? id = v_-yJ5c5a98C
  3. Hulse David K ​​(1999): "The early development of the steam engine"; TEE Publishing, Leamington Spa, UK, ISBN, 85761 107 1 (Англ.)

9. Смотрите также

Источники

  • Швец И. Т., Кираковський Н. Ф. Общая теплотехника и тепловые двигатели. - М.: Высшая школа, 1977. - 269 с.
  • Теплотехника: Учебник / А. Ф. Буляндра, Б. Х. Драганов, В. Г. Федоров и др.. - К.Вища школа., 1998. - 334с. - ISBN 5-11-004753-7
  • Теплотехника: учебник для студ. высших техн. уч. закл. / Б. Х. Драганов [и др.]. Под ред. Б. Х. Драганова. - М.: ИНКОС, 2005. - 504 с. - ISBN 966-8347-23-4
  • Корец, М. С. Машиноведение: Основы гидравлики и теплотехники. Гидравл.машины и тепловые двигатели: навч.посиб.для студ. / М.С. Корец. - М.: Знание Украины, 2001. - 448 с. - ISBN 966-618-153-3
п о р Авто по типу двигателя

код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам