Парова машина

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Рис. 1. Парова машина Джеймса Ватта
Рис. 2. Схема парової машини.
Рис. 3. Робота парової машини подвійної дії.

Парова́ маши́на — тепловий поршневий двигун зовнішнього згорання, в якому потенціальна енергія водяної пари, котра надходить під тиском з парового котла, перетворюється в механічну роботу при зворотно-поступальному русі поршня, який через механічні ланки надає обертального руху вихідному валу. У ширшому розумінні, парова машина — всякий тепловий двигун, який перетворює енергію пари в механічну роботу.

Принцип дії парової машини поршневого типу[ред.ред. код]

Поршень утворює в циліндрі парової машини одну або дві порожнини змінного об'єму, в яких здійснюються процеси стискування і розширення. Принцип дії парової машини показаний на рисунках 2 і 3.

Зусилля поршня — 1 за допомогою штока — 2, повзуна — 3, шатуна — 4 і кривошипа — 5 передається у вигляді крутного моменту вихідному валу — 6, що несе маховик — 7, який служить для зменшення нерівномірності обертання вала. Ексцентрик, що розміщений на вихідному валу, за допомогою ексцентрикової тяги приводить в рух золотник — 8, який керує подачею пари в порожнини циліндра. Відпрацьована пара з циліндра випускається в атмосферу або надходить в конденсатор. Для підтримки сталої швидкості обертання вала при змінному навантаженні парові машини оснащуються відцентровим регулятором (регулятором Вата) — 9, що, залежно від швидкості обертання валу, автоматично змінює або площу перетину каналу проходження пари, котра подається в парову машину (дросельне регулювання, показано на малюнку), або момент припинення наповнення циліндра (кількісне регулювання).

Класифікація[ред.ред. код]

Парові машини поділяються:

  • За призначенням:
    • стаціонарні;
    • нестаціонарні (пересувні і транспортні).
  • За робочим тиском пари, що використовується:
    • низького тиску (до 12 ат);
    • середнього тиску (до 60 ат);
    • високого тиску (понад 60 ат).
  • За швидкістю обертання вала:
    • тихохідні (до 50 об/хв, як на пароплавах з гребним колесом);
    • швидкохідні.
  • за тиском пари, що випускається:
    • конденсаційні (тиск в конденсаторі 0,1-0,2 ат);
    • вихлопні (з тиском 1,1-1,2 ат);
    • теплофікаційні з відбором пари на нагрівальні цілі або для парових турбін тиском від 1,2 ата до 60 ата залежно від призначення відбору (опалювання, регенерація, технологічні процеси, використання високих перепадів тисків у парових турбінах).
  • За розташуванням циліндрів:
    • горизонтальні;
    • похилі;
    • вертикальні.
  • За числом циліндрів:
    • одноциліндрові;
    • багатоциліндрові
      • здвоєні, строєні і т. д.;
      • парові машини багатократного розширення, в яких пара послідовно розширюється в 2-х, 3-х чи 4-х циліндрах із зростаючим об'ємом, переходячи з циліндра в циліндр через так звані ресивери (колектори).

За типом передавального механізму парові машини багатократного розширення діляться на тандем-машини і компаунд-машини. Особливу групу складають прямоточні парові машини, в яких випуск пари з порожнини циліндра здійснюється кромкою поршня.

Історія винаходу[ред.ред. код]

Парова машина була винайдена в XVIII ст., коли основний недолік гідросилових установок — залежність від місця розташування джерел гідравлічної енергії, що був несуттєвим при будівництві зернових млинів, почав сильно перешкоджати розвитку металургійних підприємств, головним чином через неможливість застосувати водяні колеса для відкачування води з копалень, віддалених від джерел водної енергії. Можливість перевезення палива зробила тепловий двигун незалежним від місця розташування джерела енергії і дозволила вирішувати задачу водовідливу у копальнях, в результаті чого паросилові насосні установки першими з'явилися саме там.

Рис. 4 Двигун Савері (1698 р.)

Парова машина Томаса Севері[ред.ред. код]

Перша спроба поставити пару на службу людині була зроблена в Англії в 1698 році: машина Т. Севері призначалася для осушення шахт і перекачування води. Сам винахідник назвав її «вогневою машиною» (fire engine) і «другом шахтарів» (miner's friend)[1][2] Для одержання пари, що приводили машину в дію, був потрібний вогонь. Але винахід Т. Севері ще не був двигуном у повному розумінні цього слова, оскільки крім декількох клапанів, що відкривалися і закривалися вручну, у ньому не було інших механізмів.

Машина Т. Севері працювала наступним чином: спочатку герметичний резервуар наповнявся парою, потім зовнішня поверхня резервуара охолоджувалася холодною водою, від чого пара конденсувалася, і в резервуарі створювався частковий вакуум. У результаті цього вода із дна шахти засмоктувалася в резервуар через забірну трубу і після впуску чергової порції пари викидалася назовні через випускну трубу. Потім цикл повторювався. Таким способом воду можна було засмоктувати з глибини меншої за 10 метрів, оскільки в дійсності її виштовхував атмосферний тиск.

Парова машина Дені Папена[ред.ред. код]

Перша вдала парова машина з поршнем була побудована французом Дені Папеном (фр. Denis Papin), чиє ім'я частіше асоціюється з винаходом автоклава.

У 1674 році Д. Папен побудував пороховий двигун, принцип дії якого ґрунтувався на запаленні в циліндрі пороху і переміщенні поршня усередині циліндра під впливом порохових газів. Коли надлишок газів виходив з циліндра через спеціальний клапан, а газ, що залишився, охолоджувався, у циліндрі створювався частковий вакуум, і поршень повертався у вихідне положення під дією атмосферного тиску.

Машина була не дуже вдалою, але вона навела Д. Папена на думку замінити порох водою. І у 1698 році він побудував парову машину (як і англієць Т. Севері). Вода нагрівалася усередині вертикального циліндра з поршнем усередині, і пара, що утворилася, штовхала поршень нагору. Коли пара прохолоджувалася і конденсувалася, поршень опускався вниз під дією атмосферного тиску. Таким чином, за допомогою системи блоків парова машина Д. Папена могла приводити в рух різні механізми, наприклад насоси.

Парова машина Томаса Ньюкомена[ред.ред. код]

Рис. 5 Анімована схема роботи парової машини Т. Ньюкомена:
— пара показана рожевим кольором а вода — блакитним;
— клапани у відкритому стані позначені зеленим кольором, у закритому — червоним

Почувши про парову машину Д. Папена, Томас Ньюкомен, що часто бував на шахтах у Вест Кантрі (південно-західний регіон Англії), де він працював ковалем, і краще ніж будь-хто розумів необхідність продуктивних насосів для запобігання затопленню шахт. Він об'єднав зусилля з водопровідником і лудильником Дж. Коулі у спробі побудувати досконалішу модель.

Їх перша парова машина була встановлена на вугільній шахті в Стаффордширі у 1712 році. Як і в машині Д. Папена, поршень переміщався у вертикальному циліндрі, але в цілому машина Т. Ньюкомена була виготовлена якісніше. Щоб герметизувати зазор між циліндром і поршнем, Т. Ньюкомен закріпив на торці останнього гнучкий шкіряний диск. Пара з котла надходила у порожнину циліндра і піднімала поршень вгору. Далі при упорскуванні в циліндр холодної води, пара конденсувалася, у циліндрі утворювався вакуум, і під впливом атмосферного тиску поршень опускався вниз. Цей зворотний хід видаляв воду з циліндра і за допомогою ланцюга, з'єднаного з коромислом, що здійснювало коливний рух, піднімав вгору шток насоса. Коли поршень знаходився в нижній точці свого ходу, у циліндр знову надходила пара, і за допомогою противаги, закріпленої на штоку насоса на, поршень піднімався у вихідне положення. Далі цикл повторювався[3].

Машина Т. Ньюкомена виявилася досить вдалою і використовувалася по всій Європі протягом більше 50 років. У 1740 році машина з циліндром довжиною 2,74 м і діаметром 76 см за один день виконувала роботу, як бригада з 25 чоловік і 10 коней, працюючи позмінно, раніше виконували за тиждень. Однак і машина Т. Ньюкомена була далека від досконалості. Вона перетворювала в механічну роботу усього лише близько 1% теплової енергії і, як наслідок, вимагала великої кількості палива, що, утім, не мало особливого значення, коли машина працювала на вугільних шахтах. У цілому машини Т. Ньюкомена зіграли величезну роль у збереженні вугільної промисловості: з їхньою допомогою удалося відновити видобуток вугілля в багатьох затоплених шахтах.

Вирішуючи задачу водопідйому, винахідники (Д. Папен у Франції, Т. Ньюкомен і Т. Севері в Англії та ін.) поступово знайшли конструктивні форми для здійснення безперервного робочого процесу парової машини: окремий паровий котел, циліндр, топковий пристрій, крани та ін. Проте це все ще були насосні установки, які могли направляти роботу циклу тільки на підйом води і були не в змозі задовольнити потреби в двигунах для заводських машин (повітродувних міхів, рудодробильних засобів, ковальських молотів, лісопильних рам та ін.). Так виник перехідний період (1700–1780) в енергетиці, коли водяне колесо почало обмежувати розвиток техніки унаслідок залежності від місця розташування джерела водної енергії; паровий двигун, хоча і не був прив'язаний до місцевих умов, був придатний тільки для підйому води.

Потреби заводів привели до створення комбінованих установок, в яких паровий насос піднімав воду на водяне колесо, що приводило в рух заводські машини. Такі установки не вирішували завдання щодо заводського двигуна, оскільки втрачали на своїй гідравлічній ділянці понад 2/3 енергії, що отримувалась від парового циклу. Завдання могло бути вирішене тільки шляхом заміни гідравлічної передачі роботи механічною, розробкою передавального механізму, здатного виконувати паровим циклом роботу періодично передавати споживачеві безперервно, в будь-якій необхідній формі руху. Простий передавальний механізм у формі балансира проіснував ціле століття, оскільки дозволив при низькому тиску пари піднімати воду на велику висоту за рахунок різниці площ перетину парового і водяних циліндрів, але не вирішував головного завдання заводського двигуна — здатності виконувати роботу безперервно.

Універсальна парова машина подвійної дії[ред.ред. код]

Застосування двох циліндрів з послідовною віддачею роботи їх порожнин на спільний вал було вперше запропоноване І. І. Ползуновим в 1763, проте через смерть винахідника проект не був завершений, і машина була розібрана після декількох пробних запусків.

У 80-х роках XVIII століття потреба в універсальному двигуні стала виключно гострою у зв'язку з розвитком першого етапу промислової революції — впровадженням у виробництво прядильних і ткацьких машин. Ці нові машини, що давали можливість одночасної роботи багатьох знарядь, визначили в останній чверті 18 ст. період завершення першого етапу в розвитку парових машин. Завдання набуло конкретної форми: необхідно було перетворити парову насосну установку на двигун з обертальним рухом вала. Рішення цієї задачі знайшло своє віддзеркалення в патентах різних країн на парові машини в 80-х роках XVIII ст. Найбільшого поширення набула парова машина (рис. 1) Джеймса Ватта (Англія), як найбільш економічна унаслідок відділення конденсатора від циліндра. З 1800 розвиток парової машини і її впровадження в промисловості і на транспорті йде зростаючими темпами.

Наступним важливим кроком у розвитку парових машин високого тиску стала поява машин подвійної дії (див рис.2). В машинах одинарної дії поршень переміщався в одну сторону силою під дією тиску пари, але назад він повертався або під дією сил гравітації чи за рахунок моменту інерції обертового маховика, сполученого з паровою машиною.

У парових машинах подвійної дії пара під тиском по черзі подається в обидві сторони робочого циліндра, в той час як відпрацьована пара з протилежного боку циліндра виходить в атмосферу чи в конденсатор. Такий принцип вимагав створення досить складного механізму розподілення пари. Принцип подвійної дії підвищує швидкість роботи машини і покращує плавність ходу та збільшує потужність при тій же масі машини. Це сприяло появі та бурхливому поширенню парової машини на транспорті — з'явились: пароплав, паровоз, паровий локомобіль, паровий трактор, паровий екскаватор тощо.

Компаундна парова машина[ред.ред. код]

У 1804 році англійський інженер Артур Вульф, який запатентував парову машину подвійного розширення (компаундну парову машину високого тиску Вульфа). У цій машині високотемпературна пара з парового котла надходила в циліндр високого тиску, а після цього відпрацьована у ньому пара з нижчою температурою і тиском надходила в циліндр (або циліндри) низького тиску. Це зменшувало перепад температури в кожному циліндрі, що в цілому знижувало температурні втрати і підвищувало загальний коефіцієнт корисної дії парової машини. Оскільки пара низького тиску мала більший об'єм, тому циліндри низького тиску мали більший діаметр (а іноді і більшу довжину) ніж циліндри високого тиску. Іноді один циліндр високого тиску був пов'язаний з двома такими ж паралельними циліндрами низького тиску. Таку схему було легше збалансувати.

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.

Значення парової машини поршневого типу для розвитку суспільства[ред.ред. код]

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.

На початок XX ст. 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 становлять 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.

Парова турбіна[ред.ред. код]

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 простішу 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.

Докладніше: Парова турбіна

Коефіцієнт корисної дії парової машини[ред.ред. код]

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}} ,

де

Wout — механічна робота, Дж;
Qin — 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 T2 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.

Сфери застосування[ред.ред. код]

Аж до середини XX ст. парові машини широко застосовувалися в тих сферах, де їх позитивні якості (велика надійність, можливість роботи з великими коливаннями навантаження, можливість тривалих перевантажень, довговічність, невисокі експлуатаційні витрати, простота обслуговування і легкість реверсування) робили застосування парової машини доцільнішим, ніж застосування інших двигунів, незважаючи на її недоліки, обумовлені головним чином з наявності кривошипно-шатунного механізму. До таких областей відносяться: залізничний транспорт (див. паровоз); водний транспорт (див. пароплав), де парова машина ділила своє застосування з двигунами внутрішнього згорання і паровими турбінами; промислові підприємства з силовим і тепловим споживанням: цукрові заводи, сірникові, текстильні, паперові фабрики, окремі харчові підприємства. Характер теплового споживання цих підприємств визначав теплову схему установки і відповідного нею тип парової машини теплофікації: з кінцевим або проміжним відбором пари. Установки теплофікації дають можливість зменшувати на 5-20% витрату палива в порівнянні з роздільними установками, що складаються з конденсаційних парових машин і окремих котельних, що виробляють пару на технологічні процеси і опалювання. Проведені у ті часи дослідження показали доцільність переведення роздільних установок теплофікації на регульований відбір пари з ресивера парової машини подвійного розширення. Можливість роботи на будь-яких видах палива робила доцільним застосування парових машин для роботи на відходах виробництва і сільського господарства: на лісозаводах, в локомобільних установках тощо, особливо за наявності теплового споживання, як, наприклад, на деревообробних підприємствах, що мають горючі відходи і споживають низькопотенційне тепло для цілей сушки лісоматеріалів. Парова машина зручна для застосування в безрейковому транспорті, оскільки не вимагає коробки швидкостей, проте вона не набула тут поширення через деякі конструктивні труднощі.

Примітки[ред.ред. код]

Див. також[ред.ред. код]

Джерела[ред.ред. код]

  • Швець І. Т. , Кіраковський Н. Ф. Загальна теплотехніка та теплові двигуни. — К.: Вища школа, 1977. — 269 с.
  • Теплотехніка: Підручник / О. Ф. Буляндра, Б. Х. Драганов, В. Г. Федорів і ін.- К.Вища школа., 1998. — 334с. — ISBN 5-11-004753-7
  • Теплотехніка : підручник для студ. вищих техн. навч. закл. / Б. Х. Драганов [та ін.]; За ред. Б. Х. Драганова. — К. : ІНКОС, 2005. — 504 с. — ISBN 966-8347-23-4
  • Корець, М. С. Машинознавство: Основи гідравлики та теплотехніки. Гідравл.машини та теплові двигуни : навч.посіб.для студ. / М. С. Корець. — К : Знання України, 2001. — 448 с. — ISBN 966-618-153-3