Паровая машина


Парова́я маши́на — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного 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 преобразует энергию пара в механическую работу, таким образом к паровым машинам можно было бы отнести и паровую турбину, имеющую до сих пор широкое применение во многих областях техники.

Первая паровая машина была построена в XVII веке французским физиком Дени Папеном и представляла собой цилиндр с поршнем, который поднимался под действием пара, а опускался давлением атмосферы после сгущения отработавшего пара. На этом же принципе были построены в 1705 году вакуумные паровые машины Севери и Ньюкомена для выкачивания воды из копей. Значительные усовершенствования в вакуумной паровой машине были сделаны Джеймсом Уаттом в 1769 году. Дальнейшее значительное усовершенствование парового двигателя (применение на рабочем ходу пара высокого давления вместо вакуума) было сделано американцем Оливером Эвансом в 1786 году и англичанином Ричардом Тревитиком в 1800 году.

В России первая действующая паровая машина была построена в 1766 году по проекту Ивана Ползунова, предложенному им в 1763 году. Машина Ползунова имела два цилиндра с поршнями, работала непрерывно, и все действия в ней проходили автоматически. Но увидеть своё изобретение в работе И. И. Ползунову не пришлось: он умер 27 мая 1766 года, а его машина пущена в эксплуатацию на Барнаульском заводе только летом[2]. Через пару месяцев из-за поломки она перестала действовать и впоследствии была демонтирована.

Для работы паровой машины необходим паровой котёл, однако можно использовать любой источник тепла для перевода воды до состояния насыщенного пара и последующего перегрева пара (некоторые паровые двигатели работают и на насыщенном паре). Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям.

Принцип действия поршневой паровой машины показан на иллюстрации. Работа поршня 1 посредством штока 2, ползуна 3, шатуна 4 и кривошипа 5 передаётся главному валу 6, несущему маховик 7, который служит для снижения неравномерности вращения вала. Эксцентрик, сидящий на главном валу, с помощью эксцентриковой тяги приводит в движение золотник 8, управляющий впуском пара в полости цилиндра. Пар из цилиндра выпускается в атмосферу или поступает в конденсатор. Для поддержания постоянного числа оборотов вала при изменяющейся нагрузке паровые машины снабжаются центробежным регулятором 9, автоматически изменяющим сечение прохода пара, поступающего в паровую машину (дроссельное регулирование, показано на рисунке), или момент отсечки наполнения (количественное регулирование).


Схема паровой машины тандем: 1 — поршень, 2 — поршневой шток, 3 — ползун (крейцкопф), 4 — шатун, 5 — кривошип, 6 — вал, 7 — маховик, 8 — скользящий клапан, 9 — центробежный регулятор
Схема работы паровой машины двойного действия
Первая паровая машина Дени Папена (1690)
Паровая машина Папена
Паровой двигатель Якоба Лёйпольда, 1720
Гравюра двигателя Ньюкомена. Это изображение скопировано с рисунка в работе Дезаглирса «Курс экспериментальной философии» (1744), которая является изменённой копией гравюры Генри Битона, датированной 1717 годом. Вероятно, изображён второй двигатель Ньюкомена, установленный приблизительно в 1714 году в угольной шахте Гриф в Уоркшире.
версия паровой машины, созданная Уаттом
Корнуэльская машина, построенная Тревитиком.
Схема горизонтальной одноцилиндровой паровой машины высокого давления, двойного действия. Отбор мощности осуществляется приводным ремнём: 1 — поршень; 2 — шток поршня; 3 — ползун; 4 — шатун; 5 — коленчатый вал; 6 — эксцентрик для привода клапана; 7 — маховик; 8 — золотник; 9 — центробежный регулятор.
Индикаторная диаграмма, показывающая четырёхфазный цикл поршневой паровой машины двойного действия
Тандемные компаунд цилиндры и поршни-клапаны. 1907
Упрощённая схема паровой машины с тройным расширением. Пар высокого давления (красный цвет) от котла проходит через машину, выходя в конденсатор при низком давлении (голубой цвет).
Паровой двигатель тройного расширения. 1890-е
Прямоточная паровая машина
Паровой молот
Паровая машина на старой сахарной фабрике, Куба
Паровоз
Паровая машина в Московском Политехническом музее