Паровой двигатель как работает кратко
Обновлено: 07.07.2024
Так сложилось, что даже люди с техническим образованием мало что знают об этом устройстве. Сегодня мы и восполним этот пробел, вспомним, как устроен паровой двигатель, его принцип действия. Его преимущества, недостатки и применении в современных условиях. И немного о истории изобретения.
Паровая машина кардинально изменила картину мира, произвела революцию в промышленности, на транспорте, дала импульс для новых открытий. Она служила универсальным двигателем на протяжении XIX века, и даже с появлением механизмов, требующих высоких скоростей, не канула в лету. Вместо тихоходной паровой машины ученые разработали быстроходную турбину с одним из самых высоких к.п.д.
История изобретения парового двигателя
Упоминание о первых паровых машинах датировано первым столетием нашей эры. Устройство, описано Героном Александрийским ‒ пар выходил из сопл, закреплённых на шаре, и приводил в движение двигатель.
Правда, настоящая паровая турбина появилась в Египте в 16 веке. Ее изобрел араб Таги-аль-Диноме.
Подобную машину построил 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка. То есть, как только в обществе наступило экономическое благополучие и возникла необходимость в данном механизме, его тот час же изобрели.
В конце 17 века были созданы ещё две модели: в Испании двигатель сконструировал Аянс де Бомонт, а в Англии Эдвард Сомерсет в 1663 году установил паровую установку для закачки воды в Большую башню замка Реглан. Но все проекты быстро сворачивались и забывались. Тогда, как впрочем, и сейчас все новое не воспринималось большинством, и деньги на разработку никто давать не решался.
Паровой котёл создал француз Дени Папен. Он же изобрёл и предохранительный клапан для стравливания избыточного давления. Дело в том, что высокое давление, создаваемое паром, приводило к частым взрывам.
Но на этом история паровых двигателей не прервалась. Англичанин Томас Ньюкомен в 1712 году сделал шахтный насос для подачи воды на верх. Двигатель Ньюкомена стал пользоваться спросом, с его массового выпуска началась английская промышленная революция.
В России первую паровую машину в 1763 году спроектировал И.И.Ползунов. С ее помощью приводились в действие воздуходувные меха на заводах.
А француз Николас-Йозеф Куньо шесть лет спустя сконструировал первую паровую телегу. Она приводила в движение сельскохозяйственные механизмы.
А в 1788 году Джон Фитч построил пароход, который вмещал 30 человек, и шел со скоростью до 12 километров в час.
В 1804 году на металлургическом заводе в Южном Уэльсе был испытан первый железнодорожный паровой поезд, его построил Ричард Тревитик.
Как устроен паровой двигатель. Принцип действия
Для работы паровой машины потребуется паровой котёл. Поступающий из него пар, расширяется и воздействует на поршень или же на лопатки паротурбины, затем их движение передаётся на другие механические части устройства.
Как устроен паровой двигатель показано на иллюстрации
Движение поршня через шток, ползун, шатун и кривошип передаётся на главный вал, который несет маховик, необходимый для снижения неравномерности вращения.
Эксцентрик, находящийся на главном валу, через эксцентриковую тягу воздействует на золотник, который управляет впуском пара в цилиндре. Пар из цилиндра выбрасывается в атмосферу или направляется в конденсатор.
Чтобы поддерживать постоянное число оборотов вала, при изменении нагрузки, на паровых машинах устанавливают центробежный регулятор, он автоматически изменяет сечение прохода пара, направляемого в паровую машину (при дроссельном регулировании) или момент отсечки наполнения (при количественном регулировании).
Поршень создает в цилиндре парового двигателя одну (две) полости переменного объёма, в них и происходят процессы сжатия и расширения.
Преимущества и недостатки
Основное преимущество паровой машины, как двигателя внешнего сгорания, отделение котла от самой машины. Это дает возможность использовать что угодно в качестве топлива хоть хворост, хоть урановое топливо, что выгодно отличает ее от двигателя внутреннего сгорания ‒ там для каждого типа требуется определённый вид горючего.
Заметнее всего это преимущество в случае с ядерным реактором, который не может производить механическую энергию, а вырабатывает лишь тепло, которое используют для получения пара, вращающего паровые турбины.
В двигателях внешнего сгорания можно использовать и другие источники тепла, например, энергию солнца или энергию разности температур океана на разной глубине.
Интересный факт, паровой локомотив хорошо работает на больших высотах, при чем эффективность двигателя не падает, а, наоборот, растет благодаря низкому атмосферному давлению.
Паровозы и сегодня используют в горной местности Латинской Америки и Китая, при том, что в равнинных районах они давно заменены на более современные типы локомотивов.
Даже в Швейцарии и в Австрии в ходу усовершенствованные тепловозы, работающие на сухом паре. Их разработали на основе модели SLM производства 1930 года. В конструкцию внесли ряд изменений: использовали роликовые подшипники, современную теплоизоляцию, новые виды топлива, специальные паропроводы и ряд других новшеств.
Благодаря этому потребление топлива уменьшилось на 60 процентов, а вес стал ниже, чем у дизельных и электрических аналогов, что актуально для железных дорог, проходящих в горной местности.
Среди других положительных качеств парового двигателя:
- высокая надёжность;
- возможность эксплуатации при значительных колебаниях нагрузки;
- допустимость продолжительных перегрузок;
- долговечность;
- низкие расходы на эксплуатацию;
- простота в обслуживании.
К недостаткам можно отнести:
- наличие кривошипно-шатунного механизма;
- низкий КПД по сравнению с другими типами двигателей.
Применение в настоящее время
Сегодня паровые машины нашли широкое применение в виде паровых турбин, которые работают как приводы электрогенераторов.
Паровая турбина состоит из вращающихся дисков, которые закреплены на одной оси. Этот узел называется ротором. Также есть статор ‒ его неподвижные диски чередуются с дисками ротора. На дисках ротора размещены лопатки, при попадании на них пара, механизм приходит в движение.
Аналогичные лопатки, только расположенные под противоположным углом, есть и на дисках статора. Они служат для перенаправления струи пара на следующий диск ротора.
Турбина преобразует энергию пара во вращательное движение без каких-либо дополнительных механизмов. То есть преобразование возвратно-поступательного хода во вращательное движение делать не нужно.
Также у турбин меньшие размеры нежели у возвратно-поступательных машин, и они отличаются постоянным усилием на выходном валу. Ещё один плюс ‒ простая конструкция, а значит придётся меньше тратить средств на эксплуатацию.
Сфера использования паровых турбин ‒ производство электроэнергии. Более 85 процентов электрической энергии вырабатывают именно паровые турбины. Также их используют как судовые двигатели, в частности на подводных лодках и атомоходах.
Теперь вы знаете, как устроен паровой двигатель, что паровая машина, изобретённая ещё в первом столетии нашей эры, вовсе не анахронизм, а современное высокотехнологичное устройство, благодаря которому жизнь многих людей стала комфортнее.
Перспективы применения паровых машин на автомобилях имеют пока туманные очертания, но творческая мысль изобретателя не имеет границ и я с полной уверенностью могу предположить, что скоро появятся двигатели с элементами парового носителя
Подписывайтесь на наш блог, чтобы узнать много нового и интересного. Поделитесь этой информацией с друзьями в социальных сетях ‒ пусть они повысят свой технический уровень, ну и вам будет приятно иметь умных друзей.
О чём подумает обыватель услышав о паровом автомобиле? Наверное, на ум придут неспешные паровозы, громоздкие котлы, закипающие по полчаса, да клубы пара и дыма. Паровая машина ассоциируется с чем угодно, но только не с образом небольшого проворного автомобиля, по виду которого и не скажешь, что под капотом у него нет привычного ДВС.
Чем хорош пар
Может показаться странным, но по своим качествам паровой двигатель намного лучше ДВС:
- Пар подаётся в цилиндр с двух сторон, поэтому каждый ход парового двигателя рабочий (у 4-тактного ДВС только один рабочий ход из четырёх). Отсюда хорошая литровая мощность.
- Горячий пар имеет меньшую температуру, чем сгорающее топливо, поэтому у парового двигателя более мягкий температурный режим. Ему не требуется специальное охлаждение.
- Давление подаваемого пара нарастает не так резко, как при вспышке топливно-воздушной смеси в ДВС. Кроме того, паровой двигатель работает на низких оборотах. Отсюда большой ресурс, надёжность и долговечность.
- Паровой двигатель автоматически увеличивает крутящий момент. Он обеспечивает плавный ход без рывков и очень большую силу тяги на низах. Пар расходуется в зависимости от нагрузки, а мощность всегда используется рационально. На ДВС это невозможно в принципе.
- Паровой двигатель может обойтись без сцепления и коробки передач. Реверс позволяет ехать вперёд и назад с одинаковой скоростью. Как следствие, трансмиссия значительно упрощается. В удобстве управления паровой автомобиль столетней давности обойдёт большинство современных машин.
- В отличие от ДВС, паровой двигатель может запускаться сам, достаточно лишь подать пар. Когда машина останавливается у светофора, паровой двигатель выключается и вообще не расходует пар. ДВС же приходится сжигать топливо вхолостую.
Четырёхцилиндровый паровой двигатель Doble в блоке с тормозами и дифференциалом. Хотя это автобусный задний мост, сам двигатель взят от легкового автомобиля, запас прочности у него был высокий.
Возникает вопрос: если паровые двигатели действительно хороши, почему паровые автомобили так быстро уступили рынок? Проблема в том, что паровому двигателю для работы нужен пар. Именно парогенератор — самая проблемная часть парового автомобиля. Его нужно сделать лёгким, компактным, надёжным и безопасным. От его конструкции во многом зависит мощность, удобство эксплуатации и скорость подготовки к движению. А ведь нужно ещё и охлаждать отработанный пар, возвращая его в контур, иначе запаса воды надолго не хватит. Да, мощные, компактные и надёжные паровые двигатели делали более ста лет назад, но проблемы парогенераторов и их обвязки так и не были решены до конца.
Нагрев и охлаждение пара
Котлы паровых машин делятся на два типа — жаротрубные и водотрубные. Грубо говоря, жаротрубный котёл — это бак с водой, через который проходит множество трубок. Горячий газ из камеры сгорания идёт по трубкам и нагревает воду. Именно такие котлы были на паровозах, а также на многих ранних паровых автомобилях.
Жаротрубный котёл парового автомобиля
У таких котлов есть два существенных недостатка. Во-первых, они потенциально опасные. Если где-нибудь возникнет утечка пара, то давление в котле начнёт быстро снижаться. Но с понижением давления уменьшается и температура кипения. Вода начнёт всё сильнее и сильнее кипеть пока резко возрастающее давление не разнесёт котёл на куски. Эта проблема решается предохранительными клапанами и ослабленными местами контура, которые точно лопнут раньше предохраняя сам котёл от взрыва. Фирма Stanley произвела около 10000 паровых автомобилей, некоторые из которых до сих пор на ходу. За всю их эксплуатацию не было ни одного случая взрыва.
Но второй недостаток преодолеть не удалось. В жаротрубном котле находится довольно много воды, поэтому перед поездкой её сперва необходимо вскипятить, на что требуется от десяти минут. По этой причине на поздних паровых машинах перешли на водотрубные котлы. В таком котле внутри камеры сгорания находится труба (или трубы), по которой циркулирует вода.
Водотрубный котёл Doble в разрезе
Фирма Doble выпускала автомобили с очень крутыми котлами на своё время. В них использовалась спираль из трубы длиной более 170 метров с переменным диаметром. В ней циркулировало всего лишь 2 литра воды, поэтому летом рабочее давление достигалось примерно за минуту-полторы. И речь шла не о том, чтобы кое-как тронуться с места. Автомобиль мог выехать на шоссе и разогнаться до 150 км/ч.
Но у котлов такого типа тоже хватает проблем. Жаротрубный котёл большой ёмкости хоть и долго разогревается, но зато имеет некоторый запас энергии. Вода нагревается и остывает не моментально, а за какое-то время, пусть и небольшое. Поэтому когда автомобиль съезжает с хорошей дороги на просёлок, то первое время используется запас мощности котла, а дальше горелка разгорается с большей силой. Однако в водотрубном котле Doble практически не было запаса энергии. Для его работы требуется автоматическая система управления, которая следит за давлением и температурой и при необходимости регулирует подачу воды и горение топлива. Но это далеко не всё. После достижения нужной температуры подача топлива прекращается и пламя затухает, однако оставшийся жар какое-то время продолжает греть воду. Дальнейший рост давления и температуры тоже нужно автоматически скомпенсировать. Если автоматика будет работать с ошибками, то труба может запросто прогореть.
Ранний паровой автомобиль Stanley без конденсатора. Красиво, но чудовищно неэффективно
Думаете, на этом трудности закончились? Как бы не так. У ранних паровых автомобилей отработанный пар выбрасывался из цилиндров в атмосферу. Во-первых, это существенно сокращало запас хода, поскольку воды хватало максимум на 150 километров (обычно и того меньше). Во-вторых, с паром выбрасывается значительная энергия, что уменьшает и без того невысокий КПД. Если пар конденсировать и возвращать в систему в виде горячей воды, то можно сэкономить топливо на её кипячение и увеличить дальность хода.
Паровой автомобиль White с конденсатором
В те годы фирма White освоила выпуск паровых автомобилей с конденсаторами. По виду они напоминают радиаторы для ДВС жидкостного охлаждения. Их задача — охладить как можно больше пара и вернуть воду в контур. Если конденсатор не справляется (а у White они и близко не справлялись), то часть пара всё же приходится стравливать в атмосферу.
Великолепный Doble
После 1910 года многие фирмы ушли с рынка паровых машин. Крупные игроки какое-то время продолжали их выпуск, например, Stanley держалась до 1924 года. Но к концу 20-х годов сдались все, кроме одной фирмы. Зато какой.
Братья Добли известны как создатели лучших в мире паровых автомобилей. Каждая из машин знаменитой серии Model E была уникальной по конструкции, собиралась вручную, использовала лучшие технические решения из возможных и стоила огромных денег.
Через сотовый радиатор можно было заглянуть внутрь
Абнер Добль, самый известный из братьев, родился в многодетной семье в 1890 году. Когда в 1906-09 годах Абнер с братьями переделывали паровой автомобиль White, эпоха пара уже шла к концу, а ведь они были подростками. Первое достижение братьев Добль — создание достаточно эффективного сотового конденсатора с площадью поверхности в шесть раз больше, чем у White. Благодаря нему запаса воды хватало более чем на 300 км против 150 км.
Следующий шаг — водотрубный котёл с автоматическим управлением. На машинах Stanley или White нужно было лезть под капот, вручную зажигать пламя в горелке и долго ждать, пока поднимутся пары. Добли разработали горелку с электрическим зажиганием. Турбина нагнетала воздух в карбюратор, где он смешивался с керосином (или любым другим подходящим топливом, паровые машины практически всеядны). Затем смесь поджигалась, а раскалённые газы проходили через трубки с водой и выбрасывались под машиной. После того, как было достигнуто рабочее давление, горелка отключалась. А дальше она время от времени автоматически включалась в зависимости от падения давления. Для компенсации возрастающей по инерции температуры впрыскивалась водопаровая эмульсия. Теперь паровой автомобиль смог так же просто заводиться, как и бензиновый.
Первый коммерческий автомобиль Doble-Detroit (или Model C) привлёк много внимания, но оказался провалом. Автоматика работала далеко не идеально. Были проблемы и с реверсом: автомобиль мог произвольно начать движение задним ходом вместо переднего. Наконец, Абнер и Джон разругались.
Уильям Добль отлаживает парогенератор
В 1921 году Джон Добль умер от рака. Братья снова объединились и основали фирму Doble Steam Motors. После нескольких проходных машин Model D к 1922 году Добли создали Model E, на котором большинство проблем было решено. Именно на нём появился котёл со спиралью из единой трубы длиной более 170 метров переменного диаметра. Температура в топке превышала 1400 градусов (примерно до 1800 градусов), но за счёт теплоизоляции наружные стенки парогенератора нагревались лишь до 65 градусов. Рабочее давление в спирали составляло 53 бар, хотя она испытывалась на давлении свыше 460 бар. При температуре пара свыше 450 градусов горелка автоматически выключалась. Далее нормализатор останавливал дальнейший нагрев от остаточного жара.
Паровой двигатель состоял из четырёх цилиндров: два высокого давления и два низкого. Из спирали пар попадал в цилиндры высокого давления, затем в цилиндры низкого давления, далее он поступал на турбины, вращающие вентилятор, а после доохлаждался в конденсаторе. Всё управление двигателем сводилось к выбору направления движения (вперёд/назад), переключению трёх отсечек (очень примерные аналоги передач), которые задавали, как долго пар будет поступать в цилиндры, да к повороту дросселя — аналога педали газа. Добли предпочитали круглый дроссель на руле вместо педали.
Абнер Добль за рулём. Один руль для левого колеса, другой для правого
Абнер Добль был перфекционистом до мозга костей. Он постоянно вносил какие-то улучшения, поэтому каждый автомобиль Doble уникален по конструкции. Отсюда традиция указывать не только модель, но и номер, например, Model E-20 с двигателем №20. А если учесть, что некоторые автомобили переделывались (и не по одному разу), составить техническое описание довольно трудно.
Абнер хотел только лучшие детали из возможных. Рули изготавливались из немецкого серебра и эбенового дерева (одна из ценнейших пород), полированного воском. Каждый парогенератор требовал точной индивидуальной настройки. Кузова от Murphy — лучшие из доступных, и всего за 9000$ (Ford T целиком стоил около 300$), листовые рессоры из полированной хром-ванадиевой стали, а рама из хромоникелевой стали. Дошло до того, что на заливной горловине было 13 винтов — на один больше, чем у Роллс-Ройса! Надо ли говорить, что автомобили Doble были самыми дорогими на рынке. Лишь один автомобиль, роскошный Locomobile 48, стоил аналогичных денег.
Шасси без кузова
За огромную цену в 250 000$ современных долларов (всего-то 20 миллионов рублей) счастливый покупатель получал автомобиль в базовой комплектации. Он без труда разгонялся до 150 км/ч (некоторые версии до 185 км/ч) и отлично управлялся. Двигатель работал практически бесшумно и без вибраций, ведь у автомобиля не было даже карданной передачи. На 144 км/ч вал мотора неспешно крутился при 1350 об/мин. Низкий центр тяжести и масса в 2,5 тонны обеспечивали отличную устойчивость.
Два автомобиля купил Говард Хьюз — один из богатейших людей Америки, ещё более эксцентричный, чем Абнер Добль. Он захотел непременно быстрейший автомобиль и заказал Доблю переделку E-20. Кузов максимально облегчили, изменили передаточное число и поставили новый парогенератор. В 1925 году Хьюз разогнался на нём до 213 км/ч. На тот момент это был один из быстрейших автомобилей в мире, да ещё и на пару. Что интересно, сам паровой двигатель оставили без изменений. Фактически мощность упиралась именно в парогенератор.
Этот роскошный паровой автомобиль Doble купил промышленник Оскар Хеншель.
Хотя паровые автомобили Doble были одними из самых дорогих на рынке, фирма работала в убыток. Братья Добли спохватились и построили упрощённое и удешевлённое шасси Simplex, но было уже поздно. Абнер Добль был интересным инженером, но хороший бизнесмен из него не получился. В 1931 году фирма Doble была продана. В любом случае, едва ли производитель настолько роскошных автомобилей с экзотической силовой установкой смог бы пережить великую депрессию.
Автомобили Doble давно уже стали объектом почитания любителей пара. По их мнению бесшумные автомобили с образцовым удобством вождения были загублены то ли нефтяным лобби, то ли неуёмным перфекционизмом Абнера Добля. Да, у паровых машин есть целый список существенных достоинств. Они могут работать на самых разных видах топлива вплоть до мазута и отработанного масла, а продолжительное горение даёт чистый выхлоп. Но не меньше у них и недостатков. Чем выше давление и температура в спирали котла, тем мощнее автомобиль, но вместе с тем труднее бороться с коррозией трубы. Кроме того, время от времени котёл нужно разбирать для чистки спирали, причём на плохом дешёвом топливе он загрязняется быстрее (вот вам и экономия). Что касается ремонта и настройки двигателя, парогенератора и его обвязки — это другой мир, забудьте всё, что вы до этого знали об устройстве автомобиля.
Doble Model E-5
Хотя Абнер Добль говорил, что на одном баке воды его автомобиль может пройти более 2 тысяч километров, это была лишь реклама, в которую верят разве что фанаты пара. По словам Джея Лено, владельца двух Doble Model E, воды хватает на 300 километров, а на жаре и того меньше. Да, вы садились в автомобиль, включали зажигание и через минуту ехали по улице. Но только если перед этим ваш механик проверит и настроит паровую машину. Впрочем, если у вас есть 20 миллионов рублей на автомобиль и ещё столько же на его модернизацию, то уж на личного механика деньги как-нибудь найдутся.
Наконец, одна из главных трудностей — замерзание воды в зимнее время. Для нашего севера воду пришлось бы разбавлять спиртом до 30-40%. Если он питьевой, то это демографическая катастрофа для любого посёлка, в котором остановился владелец парового автомобиля зимой. Но что у Doble не отнять, так это индивидуальность: каждая машина — уникальный образец бескомпромиссного искусства. История их автомобилей заслуживает отдельной подробной статьи.
Автор: Дмитрий Зайцев
Аренда ВПС сервера с быстрыми NVMе-дисками и посуточной оплатой у хостинга Маклауд.
В представлении большинства людей века смартфонов автомобили на паровой тяге – это нечто архаическое, что вызывает улыбку. Паровые страницы истории автомобилестроения были очень яркими и без них трудно представить современный транспорт вообще. Как ни старались скептики от законотворчества, а также нефтяные лоббисты разных стран ограничить развитие автомобиля на пару, им это удавалось лишь на время. Ведь паровой автомобиль подобен Сфинксу. Идея автомобиля на пару (т. е. на двигателе наружного сгорания) актуальна и по сей день.
В представлении большинства людей века смартфонов автомобили на паровой тяге – это нечто архаическое, что вызывает улыбку.
Так в 1865 году в Англии ввели запрет на передвижение скоростных самоходных карет на паровом ходу. Им запрещалось передвигаться быстрее 3 км/ч по городу и не выпускать клубы пара, дабы не пугать лошадей, запряжённых в обычные экипажи. Самым серьёзным и ощутимым ударом по паровым грузовым автомобилям уже в 1933 году нанёс закон о налоге на тяжёлые транспортные средства. И только в 1934 году, когда были снижены пошлины на импорт нефтепродуктов, замаячила на горизонте победа бензиновых и дизельных двигателей над паровыми.
Так изысканно и хладнокровно издеваться над прогрессом могли себе позволить только в Англии.
В США, Франции, Италии среда изобретателей-энтузиастов буквально бурлила идеями, а паровой автомобиль приобретал новые очертания и характеристики. Хотя английские изобретали внесли весомый вклад в развитие парового автотранспорта, законы и предубеждения властей не позволяли им полноценно участвовать в схватке с ДВС. Но давайте обо всём по порядку.
Доисторическая справка
Проект самодвижущегося экипажа Исаака Ньютона (1680), пожарный аппарат механика Томаса Севери (1698) и атмосферная установка Томаса Ньюкомена (1712) продемонстрировали огромный потенциал использования пара для совершения механической работы. Сначала паровые машины откачивали воду из шахт и поднимали грузы, но к середине 18 века на предприятиях Англии таких паровых установок уже было несколько сотен.
Принцип работы парового двигателя
Что же собой представляет паровой двигатель? Как может пар двигать колёса? Принцип паровой машины прост. Вода нагревается в закрытом резервуаре до состояния пара. Пар отводится по трубкам в закрытый цилиндр и выдавливает поршень. Через промежуточный шатун это поступательное движение передаётся на вал маховика.
Эта принципиальная схема работы парового котла на практике имела существенные недостатки.
Первая порция пара клубами вырывалась наружу, а остывший поршень под собственным весом опускался вниз для следующего такта. Эта принципиальная схема работы парового котла на практике имела существенные недостатки. Отсутствие системы регулирования давлением пара нередко приводила к взрыву котла. Для доведения котла до рабочего состояния требовалось немало времени и топлива. Постоянная дозаправка и гигантские размеры паровой установки лишь увеличивали перечень её недостатков.
Новую машину в 1765 году предложил Джеймс Уатт. Он направил выдавливаемый поршнем пар в дополнительную камеру для конденсации и избавил от необходимости постоянно подливать воду в котёл. Наконец, в 1784 году он разрешил задачу, как перераспределить движение пара таким образом, чтобы он толкал поршень в обоих направлениях. Благодаря созданному им золотнику, паровая машина могла работать без перерывов между тактами. Этот принцип теплового двигателя двойного действия и лёг в основу большинства паровой техники.
Над созданием паровых машин трудились много умных людей. Ведь это простой и дешёвый способ получения энергии практически из ничего.
Небольшой экскурс в историю автомобилей на паровой тяге
Однако, как ни грандиозны были успехи англичан в области паровых двигателей, первым, кто поставил паровую машина на колёса, был француз Николя Жозеф Кюньо.
Первый паровой автомобиль Кюньо
Его автомобиль появился на дорогах в 1765 году. Скорость передвижения коляски была рекордной — 9,5 км/ч. В нём изобретатель предусмотрел четыре места для пассажиров, которых можно было прокатить с ветерком на средней скорости 3,5 км/ч. Этого успеха изобретателю показалось недостаточно.
Необходимость остановки для заправки водой и разжигание нового костра через каждый километр пути не были существенным минусом, а лишь уровнем техники того времени.
Он решился на изобретение тягача для пушек. Так на свет появилась трёхколёсная повозка с массивным котлом впереди. Необходимость остановки для заправки водой и разжигание нового костра через каждый километр пути не были существенным минусом, а лишь уровнем техники того времени.
Следующая модель Кюньо образца 1770 года имела вес около полутора тонн. Новая телега могла транспортировать порядка двух тонн груза со скоростью 7 км/ч.
Самоучка Оливер Эванс и его амфибия
Идея создания паровых машин имела вселенские масштабы. В североамериканских штатах изобретатель Оливер Эванс создал около пятидесяти паровых установок на базе машины Уатта. Стараясь уменьшить габариты установки Джеймса Уатта, он конструировал паровые машины для мукомольных фабрик. Однако всемирную славу Оливер Эванс приобрёл за свой паровой автомобиль-амфибию. В 1789 году его первый автомобиль в США успешно прошёл сухопутное и водное испытания.
На свою амфибию, которую можно назвать прообразом вездеходов, Эванс установил машину с давлением пара в десять атмосфер!
Девятиметровый автомобиль-лодка имел вес около 15 тонн. Паровая машина приводила в движение задние колёса и гребной винт. Кстати говоря, Оливер Эванс тоже был сторонником создания парового двигателя высокого давления. На свою амфибию, которую можно назвать прообразом вездеходов, Эванс установил машину с давлением пара в десять атмосфер!
XX век и 204 км/ч на паровом автомобиле Стэнли
Да! 18 век дал мощный толчок к развитию парового транспорта. Многочисленные и разнообразные конструкции самоходных паровых повозок стали всё чаще разбавлять гужевой транспорт на дорогах Европы и Америки. К началу XX века автомобили на паровой тяге существенно распространились и стали привычным символом своего времени. Как и фотография.
18 век дал мощный толчок к развитию парового транспорта
Именно свою фотографическую компанию продали братья Стэнли, когда в 1897 году решили всерьёз заняться производством паровых авто в США.
Конечно, автомобили Стэнли имели славу надёжного автомобиля. Паровой агрегат располагался сзади, а бойлер разогревался при помощи факелов бензина или керосина. Маховик парового двухцилиндрового мотора двойного действия вращение на заднюю ось посредством цепной передачи. Случаев взрывов котла у Стэнли Стимер не было. Но им нужен был фурор.
Конечно, автомобили Стэнли имели славу надёжного автомобиля.
Уникальные паромобили братьев Добл
Этому знаменитому семейству удалось оказывать достойное сопротивление бензиновым моторам аж до начала 30-х годов XX века. Они не собирали машины для рекордов. Братья поистине любили свои паромобили. Иначе, чем ещё объяснить изобретённые ими сотовый радиатор и кнопку зажигания? Их модели не были похожи на малые паровозы.
Братья Абнер и Джон сделали революцию в паровом транспорте.
Братья Абнер и Джон сделали революцию в паровом транспорте. Чтобы сдвинуться с места, его машину не требовалось разогревать 10–20 минут. Кнопка зажигания нагнетала керосин из карбюратора в камеру сгорания. Он попадал туда после розжига запальной свечой. Вода нагревалась за считанные секунды, а через минуту-полторы пар создавал необходимое давление и можно было ехать.
Отработанный пар направлялся в радиатор для конденсации и подготовки к последующим циклам. Поэтому для плавного пробега на 2000 км автомобилям Доблов требовалось всего девяносто литров воды в системе и несколько литров керосина. Такой экономичности не мог предложить никто! Возможно, именно на автосалоне в Детройте в 1917 году Стэнли познакомились с моделью братьев Добл и начали сворачивать своё производство.
Модель Е стала самым роскошным автомобилем второй половины 20-х и самой последней версией паромобиля Доблов. Кожаный салон, полированные элементы из дерева и кости слона радовали состоятельных владельцев внутри автомобиля. В таком салоне можно было наслаждаться пробегом на скорости до 160 км/ч. Всего 25 секунд отделяли момент зажигание от момента старта. Ещё 10 секунд требовалось, чтобы автомобиль массой в 1,2 т разогнался до 120 км/ч!
Все эти скоростные качества были заложены в четырёхцилиндровом моторе. Два поршня выталкивались паром под высоким давлением в 140 атмосфер, а два других отправляли остывший пар низкого давления в сотовый конденсатор-радиатор. Но в первой половине 30-х годов и эти красавцы братьев Добл перестали выпускаться.
Паровые грузовые машины
Однако не стоит забывать, что паровая тяга бурно развивалась и на грузовом транспорте. Это в городах паровые автомобили вызывали аллергию у снобов. А ведь грузы должны доставляться в любую погоду и не только по городу. А междугородние автобусы и военная техника? Там легковыми малолитражками не отделаешься.
Грузовой транспорт имеет одно значительное преимущество перед легковым – это его габариты.
Грузовой транспорт имеет одно значительное преимущество перед легковым – это его габариты. Именно они позволяют разместить мощные силовые установки в любом месте автомобиля. Причём она только увеличит грузоподъёмность и проходимость. А как будет выглядеть грузовик – на это не всегда обращали внимание.
Трудяга Сэнтинэл с английским акцентом
Эти два грузовика отличаются не только страной производителя. Принципы расположения парогенераторов тоже были разные. Для Сэнтинэлов характерны верхнее и нижнее расположение паровых машин относительно котла. При верхнем расположении парогенератор подавал горячий пар непосредственно в камеру двигателя, который был связан с мостами системой карданных валов. При нижнем расположении парового двигателя, т. е. на шасси, котёл разогревал воду и подавал пар в двигатель по трубкам, что гарантировало потери температуры.
Для Сэнтинэлов характерны верхнее и нижнее расположение паровых машин относительно котла.
Наличие цепной передачи от маховика паровой машины на карданы было типичным для обоих типах. Это позволило конструкторам унифицировать выпуск Сэнтинэлов в зависимости от заказчика. Для жарких стран, таких как Индия, выпускали паровые грузовики с нижним, разделённым расположением котла и двигателя. Для стран с холодными зимами – с верхним, совмещённым типом.
Для жарких стран, таких как Индия, выпускали паровые грузовики с нижним, разделённым расположением котла и двигателя.
На этих грузовиках применяли множество проверенных технологий. Золотники и клапаны распределения пара, двигатели простого и двойного действия, с высоким или низким давлением, с или без КПП. Однако, это не продлили жизнь английским паровым грузовикам. Хоть они и выпускались до конца 50-х годов XX века и даже состояли на воинской службе до и во время 2-й мировой войны, они всё же были громоздкими и чем-то напоминали паровозы. А так как в их кардинальной модернизации не было заинтересованных особ, то их участь была предрешена.
Хоть они и выпускались до конца 50-х годов XX века и даже состояли на воинской службе до и во время 2-й мировой войны, они всё же были громоздкими и чем-то напоминали паровозы.
Кому что, а нам – НАМИ
В 30-х годах российские институты и конструкторские бюро предпринимали неоднократные попытки создания альтернативного грузовика для лесной промышленности.
В 30-х годах российские институты и конструкторские бюро предпринимали неоднократные попытки создания альтернативного грузовика для лесной промышленности. Но каждый раз дело останавливалось на стадии испытаний. Используя собственный опыт и возможность изучения трофейных паромобилей, инженерам удалось убедить руководство страны в необходимости такого грузовика-паровика. Тем более что бензин стоил в 24 раза дороже угля. А со стоимостью дров в тайге вообще можно не упоминать.
Группа конструкторов под руководством Ю. Шебалина максимально упростили парового агрегата в целом. Они совместили четырёхцилиндровый двигатель и котёл в один агрегат и расположили его между кузовом и кабиной. Поставили эту установку на шасси серийного ЯАЗ (МАЗ)-200. Работа пара и его конденсация были совмещены в замкнутом цикле. Подача дровяных чушек из бункера осуществлялась автоматически.
Так появился на свет, вернее на лесном бездорожье, НАМИ-012. Очевидно, принцип бункерной подачи твёрдого топлива и расположение паровой машины на грузовом автомобиле был заимствован из практики газогенераторных установок.
Судьба хозяина лесов – НАМИ-012
Характеристики парового отечественного бортового грузовика и лесовоза НАМИ-012 были такие
• Грузоподъёмность – 6 тонн
• Скорость – 45 км/ч
• Дальность пробега без дозаправки топлива – 80 км, если была возможность обновить запас воды, то 150 км
• Крутящий момент на малых оборотах – 240 кгм, что превышало почти в 5 раз показатели базового ЯАЗ-200
• Котёл с естественной циркуляцией создавал давление в 25 атмосфер и доводил пар до температуры 420°С
• Пополнять запасы воды возможно было непосредственно из водоёма через эжекторы
• Цельнометаллическая кабина не имела капот и была выдвинута вперёд
• Скорость регулировалась объёмом пара в двигателе при помощи рычага подачи/отсечки. С его помощью цилиндры наполнялись на 25/40/75%.
• Одна задняя передача и три педаль управления.
Серьёзными недостатками парового грузовика были расход 400 кг дров на 100 км пути и необходимость в мороз избавляться от воды в котле.
Серьёзными недостатками парового грузовика были расход 400 кг дров на 100 км пути и необходимость в мороз избавляться от воды в котле. Но основным минусом, который присутствовал у первого образца, была плохая проходимость в незагруженном состоянии. Тогда получалось, что передняя ось была перегружена кабиной и паровым агрегатом, по сравнению с задней. С этой задачей справились, установив модернизированную паросильную установку на полноприводный ЯАЗ-214. Теперь и мощность лесовоза НАМИ-018 была доведена до 125 лошадиных сил.
Но, не успев распространиться по стране, парогенераторные грузовики были все утилизированы во второй половине 50-х годов прошлого века.
Но, не успев распространиться по стране, парогенераторные грузовики были все утилизированы во второй половине 50-х годов прошлого века. Впрочем, вместе с газогенераторными. Потому что стоимость переделки автомобилей, экономический эффект и удобство эксплуатации были трудоёмки и сомнительны, по сравнению с бензиновыми и дизельными грузовиками. Тем более что к этому времени в Советском Союзе уже налаживалась добыча нефти.
Скоростной и доступный современный паровой автомобиль
Не стоит думать, что идея автомобиля на паровой тяге забыта навсегда. Сейчас проявляется значительный рост интереса к двигателям, альтернативным ДВС на бензине и дизтопливе. Мировые запасы нефти не безграничны. Да, и стоимость нефтепродуктов постоянно увеличивается. Конструкторы так старались усовершенствовать ДВС, что их идеи почти достигли своего лимита.
Электромобили, авто на водороде, газогенераторные и паромобили вновь стали актуальными темами. Здравствуй, забытый 19 век!
Сейчас проявляется значительный рост интереса к двигателям, альтернативным ДВС на бензине и дизтопливе.
В современном парогенераторе можно использовать уголь в виде порошка или другое дешёвое топливо, например, мазут, сжиженный газ. Именно поэтому паровые автомобили всегда были и будут популярны.
Но чтобы настало экологически чистое будущее, опять необходимо преодолевать сопротивление нефтяных лоббистов.
Парова́я маши́на — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.
Горизонтальная стационарная двухцилиндровая паровая машина для привода заводских трансмиссий. Конец XIX в. Экспонат Музея Индустриальной Культуры. Нюрнберг
Значение паровых машин
Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Поздние паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами и электромоторами, КПД которых выше.
Паровые турбины, формально являющиеся разновидностью паровых машин, до сих пор широко используются в качестве приводов генераторов электроэнергии. Примерно 86% электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с использованием паровых турбин.
Принцип действия
Для привода паровой машины необходим паровой котёл . Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины , движение которых передаётся другим механическим частям. Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива — от кизяка до урана.
Изобретение и развитие
Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским философом, астрономом и инженером XVI века Таги-аль-Диноме. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 г. итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.
Однако дальнейшее развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики двигателей могли бы воспользоваться их результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения. Только в конце 17-го столетия паровые двигатели были созданы как единичные курьёзы. Первая машина была создана испанским изобретателем Йеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т. Севери (см. ниже). Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 г. англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 г. он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в 19-ом столетии). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной. Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-ых в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 г. создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала, как демонстрационная модель, но для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла, проложив таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. Однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил. Папен также проектировал лодку, приводимую в движение колесом с реактивной силой в комбинации концепций Таги-аль-Дина и Севери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.
Двигатели с возвратно-поступательным движением используют энергию пара для перемещения поршня в герметичной камере или цилиндре. Возвратно-поступательное действие поршня может быть механически преобразовано в линейное движение поршневых насосов или во вращательное движение для привода вращающихся частей станков или колёс транспортных средств.
Вакуумные машины
Поршень связан цепью с концом большого коромысла, вращающегося вокруг своей середины. Насос под нагрузкой связан цепью с противоположным концом коромысла, которое под действием насоса возвращает поршень к верхней части цилиндра силой гравитации. Так происходит обратный ход. Давление пара низкое и не может противодействовать движению поршня.
В паровой машине Ньюкомена смазка поршня осуществлялась небольшим количеством налитой на него сверху воды, в машине Уатта это стало невозможным, поскольку в верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку смесью тавота и нефти. Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.
Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничение их эффективности, были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII века. Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора. Максимальный теоретический КПД был ограничен относительно малой разницей температур по обе стороны поршня; это делало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими.
Приблизительно в 1811 году Ричарду Тревитнику потребовалось усовершенствовать машину Уатта, для того чтобы приспособить её к новым котлам Корниша. Давление пара над поршнем достигло 275 кПа (2,8 атмосферы), и именно оно давало основную мощность для совершения рабочего хода; кроме того, был существенно усовершенствован конденсатор. Такие машины получили название машин Корниша, и строились вплоть до 1890-х годов. Множество старых машин Уатта было реконструировано до этого уровня. Некоторые машины Корниша имели весьма большой размер.
Паровые машины высокого давления
В паровых машинах пар поступает из котла в рабочую камеру цилиндра, где расширяется, оказывая давление на поршень и совершая полезную работу. После этого расширенный пар может выпускаться в атмосферу или поступать в конденсатор. Важное отличие машин высокого давления от вакуумных состоит в том, что давление отработанного пара превышает атмосферное или равно ему, то есть вакуум не создаётся. Отработанный пар обычно имел давление выше атмосферного и часто выбрасывался в дымовую трубу, что позволяло увеличить тягу котла.
Важность увеличения давления пара состоит в том, что при этом он приобретает более высокую температуру. Таким образом, паровая машина высокого давления работает при большей разнице температур чем та, которую можно достичь в вакуумных машинах. После того, как машины высокого давления заменили вакуумные, они стали основой для дальнейшего развития и совершенствования всех возвратно-поступательных паровых машин. Однако то давление, которое считалось в 1800 году высоким (275—345 кПа), сейчас рассматривается как очень низкое — давление в современных паровых котлах в десятки раз выше.
Дополнительное преимущество машин высокого давления состоит в том, что они намного меньше при заданном уровне мощности, и соответственно, существенно менее дорогие. Кроме того, такая паровая машина может быть достаточно лёгкой и компактной, чтобы использоваться на транспортных средствах. Возникший в результате паровой транспорт (паровозы, пароходы) революционизировал коммерческие и пассажирские перевозки, военную стратегию, и вообще затронул практически каждый аспект общественной жизни.
Схема горизонтальной одноцилиндровой паровой машины высокого давления, двойного действия. Отбор мощности осуществляется приводным ремнем:
1 — Поршень
2 — Шток поршня
3 — Ползун
4 — Шатун
5 — Коленчатый вал
6 — Эксцентрик для привода клапана
7 — Маховик
8 — Золотник
9 — Центробежный регулятор.
Паровые машины двойного действия
Следующим важным шагом в развитии паровых машин высокого давления стало появление машин двойного действия. В машинах одиночного действия поршень перемещался в одну сторону силой расширяющегося пара, но обратно он возвращался или под действием гравитации, или за счёт момента инерции вращающегося маховика, соединённого с паровой машиной.
В паровых машинах двойного действия свежий пар поочередно подается в обе стороны рабочего цилиндра, в то время как отработанный пар с другой стороны цилиндра выходит в атмосферу или в конденсатор. Это потребовало создания достаточно сложного механизма парораспределения. Принцип двойного действия повышает скорость работы машины и улучшает плавность хода.
Поршень такой паровой машины соединён со скользящим штоком, выходящим из цилиндра. К этому штоку крепится качающийся шатун, приводящий в движение кривошип маховика. Система парораспределения приводится в действие другим кривошипным механизмом. Механизм парораспределения может иметь функцию реверса для того, чтобы можно было менять направление вращения маховика машины.
Паровая машина двойного действия примерно вдвое мощнее обычной паровой машины, и кроме того, может работать с намного более легким маховиком. Это уменьшает вес и стоимость машин.
Большинство возвратно-поступательных паровых машин использует именно этот принцип работы, что хорошо видно на примере паровозов. Когда такая машина имеет два или более цилиндров, кривошипы устанавливаются со сдвигом в 90 градусов для того, чтобы гарантировать возможность запуска машины при любом положении поршней в цилиндрах. Некоторые колёсные пароходы имели одноцилиндровую паровую машину двойного действия, и на них приходилось следить, чтобы колесо не останавливалось в мёртвой точке, то есть в таком положении, при котором запуск машины невозможен.
Читайте также: