Паровой двигатель


Паровая машина — это тепловая машина , которая выполняет механическую работу , используя пар в качестве рабочего тела . Паровой двигатель использует силу, создаваемую давлением пара, чтобы толкать поршень вперед и назад внутри цилиндра. Эта толкающая сила может быть преобразована с помощью шатуна и кривошипа во вращательную силу для работы . Термин «паровой двигатель» обычно применяется только к только что описанным поршневым двигателям , а не к паровой турбине . Паровые двигатели - это двигатели внешнего сгорания , [1]где рабочее тело отделяется от продуктов сгорания. Идеальный термодинамический цикл, используемый для анализа этого процесса, называется циклом Ренкина . В общем случае термин « паровой двигатель » может относиться либо к полным паровым установкам (включая котлы и т. д.), таким как железнодорожные паровозы и переносные двигатели , либо может относиться только к поршневым или турбинным машинам, как в лучевом двигателе и стационарном паровом двигателе. двигатель .

Хотя устройства с паровым приводом были известны еще в эолипиле в первом веке нашей эры, а несколько других применений были зарегистрированы в 16 и 17 веках, Томас Савери считается изобретателем первого коммерчески используемого устройства с паровым приводом, парового насоса, который используется давление пара, воздействующее непосредственно на воду. Первый коммерчески успешный двигатель, который мог непрерывно передавать мощность машине, был разработан в 1712 году Томасом Ньюкоменом . Джеймс Уатт внес важное усовершенствование в 1764 году, переместив отработанный пар в отдельный сосуд для конденсации, что значительно увеличило количество работы, получаемой на единицу потребляемого топлива. К 19 веку стационарные паровые машины приводили в движение фабрикиПромышленная революция . Паровые машины заменили паруса для кораблей на колесных пароходах , а на железных дорогах работали паровозы.

Поршневые паровые двигатели поршневого типа были доминирующим источником энергии до начала 20 века, когда достижения в конструкции электродвигателей и двигателей внутреннего сгорания привели к постепенной замене паровых двигателей в коммерческом использовании. Паровые турбины заменили поршневые двигатели в производстве электроэнергии из-за более низкой стоимости, более высокой рабочей скорости и более высокой эффективности. [2]

Первым зарегистрированным рудиментарным «двигателем» с паровым двигателем был эолипил , описанный Героем Александрийским , греческим математиком и инженером в римском Египте в первом веке нашей эры. [3] В последующие столетия несколько известных паровых «двигателей» были, подобно эолипилу, [4] в основном экспериментальными устройствами, которые использовались изобретателями для демонстрации свойств пара. Элементарное устройство паровой турбины было описано Таки ад-Дином [5] в Османском Египте в 1551 г. и Джованни Бранка [6] в Италии в 1629 г. [7] Испанский изобретательХеронимо де Аянс-и-Бомонт получил патенты в 1606 году на 50 паровых изобретений, включая водяной насос для осушения затопленных шахт. [8] Дени Папен , гугенот , проделал некоторую полезную работу над паровым варочным котлом в 1679 году и впервые применил поршень для подъема грузов в 1690 году. [9]

Первым коммерческим паровым устройством был водяной насос, разработанный в 1698 году Томасом Савери . [10] Он использовал конденсирующийся пар для создания вакуума, который поднимал воду снизу, а затем использовал давление пара, чтобы поднять ее выше. Маленькие двигатели были эффективны, хотя более крупные модели были проблематичными. Они имели очень ограниченную высоту подъема и были подвержены взрывам котлов . Двигатель Савери использовался в шахтах, на насосных станциях и для подачи воды к водяным колесам , приводящим в действие текстильное оборудование. [11] Двигатель Савери имел низкую стоимость. Bento de Moura Portugal представила усовершенствование конструкции Savery, «чтобы сделать его способным работать самостоятельно», как описаноДжон Смитон в Philosophical Transactions, опубликованном в 1751 году . [12] Он продолжал производиться до конца 18 века. [13] Известно, что по крайней мере один двигатель все еще работал в 1820 году. [14]


Модель балочного двигателя с параллельным рычагом Джеймса Уатта двойного действия. [а]
Мельничный двигатель от Stott Park Bobbin Mill , Камбрия, Англия .
Паровоз из Восточной Германии . Этот класс двигателей был построен в 1942–1950 годах и эксплуатировался до 1988 года.
Паровой пахотный двигатель Kemna
Паровая машина Якоба Леупольда , 1720 г.
Ранний насосный двигатель Watt
Паровоз из Англии
Морская паровая машина тройного расширения на океанском буксире « Геркулес » 1907 года.
Union Pacific 844 паровоз типа "ФЭФ-3" 4-8-4 "Северный".
Промышленный котел, используемый для стационарной паровой машины .
Инжектор использует струю пара, чтобы нагнетать воду в котел . Форсунки неэффективны, но достаточно просты, чтобы их можно было использовать на локомотивах.
Индикаторный инструмент Ричарда 1875 года. См. Диаграмму индикатора (ниже).
Центробежный регулятор в двигателе Boulton & Watt 1788 Lap Engine .
Анимация упрощенного двигателя тройного расширения. Пар высокого давления (красный) поступает из котла и проходит через двигатель, выпускаясь в виде пара низкого давления (синий), обычно в конденсатор.
Стационарный двигатель двойного действия . Это был обычный мельничный двигатель середины 19 века. Обратите внимание на золотник с вогнутой, почти D-образной нижней стороной.
Схематическая диаграмма индикатора, показывающая четыре события при двойном ходе поршня. См.: Мониторинг и контроль (выше)
Анимация прямоточной паровой машины .
Тарельчатые клапаны управляются вращающимся распределительным валом в верхней части. Входит пар высокого давления, красный, и выхлопы, желтый.
Ротор современной паровой турбины , используемой на электростанции .
Турбиния - первоесудно с паровой турбиной .
Работа простой паровой машины с качающимся цилиндром
Эолипил вращается за счет пара, выходящего из рукавов. Никакого практического использования этот эффект не получил. [ нужна ссылка ]
Блок-схема четырех основных устройств, используемых в цикле Ренкина . 1) Насос питательной воды 2) Котел или парогенератор 3) Турбина или двигатель 4) Конденсатор; где Q = теплота и W = работа. Большая часть тепла отбрасывается в виде отходов.