История развития паровых двигателей


Содержание
Введение
1. Появление первых паровых двигателей и их особенности
2. Паровые машины второго поколения Севери и Ньюкомена
3. Создание паровых машин непрерывного действия Джеймсом Уаттом
4. Особенности использования паровых двигателей на транспорте
5. Современные тенденции развития научных исследований и технологий создания паровых машин

Заключение
Список использованной литературы

Введение
Актуальность темы
В настоящее время вопрос паровых двигателей является актуальным, несмотря на то, что массовое производство паровых машин остановилось в 1950-х годах. История развития паровых машин не подошла к концу. В 1985 году был установлен рекорд скорости на паровом автомобиле 234 км/ч, а в 2009 году группа британских инженеров сконструировала паротурбинный “болид” который был способен перемещаться со скоростью 241,7 км/час [5].

Сегодня паровые турбины, как разновидность парового двигателя, применяются на электростанциях. Тепло для подогревания воды, приводящей в движение турбины, может подаваться от сжигания топлива в печи или от атомного реактора [2, c. 14].

Современные паровые машины могут иметь КПД до 30%, что примерно соответствует некоторым ДВС. Их можно применять как на транспорте, так и на стационарных объектах, например, на мини электростанциях.

Объект исследования: паровые двигатели.

Предмет исследования: выявление основных этапов развития паровых двигателей.

Цель исследования: определение особенностей каждого этапа развития паровых двигателей.

Для достижения цели ставятся следующие задачи исследования:

– рассмотреть особенности первых паровых машин;

– выявить причины перехода к паровой машине второго поколения;

– проанализировать предпосылки к появлению паровой машины непрерывного действия;

– рассмотреть проблемы применения паровых машин на транспорте;

– определить современные тенденции в использовании паровых машин.

В первом разделе использовался метод анализа и исторический метод.

Во втором разделе использовались исторический метод и метод аналогии.

В третьем разделе использован эвристический метод и метод анализа.

В четвёртом разделе использованы структурный и исторический методы.

В пятом разделе использован метод индукции и эвристический метод.

1. Появление первых паровых двигателей и их особенности

Первые двигатели, используемые для питания рабочих машин, использовали силу известного еще в древности водяного колеса. Но их можно было использовать только около рек. Бурное развитие машинного производства потребовало изобретения универсальных двигателей, которые можно было бы использовать в любом месте.

Паровой двигатель – это машина, в которой происходит превращение тепла, вырабатываемого при нагреве воды в паровом котле в энергию движения. В некоторых двигателях сила пара заставляет двигаться поршни, расположенные в цилиндрах, их поступательное движение преобразуется во вращательное посредством подсоединяемых механизмов. Двигатели с такой конструкцией называются поршневыми. Паровые двигатели, дающие непосредственно вращательное движение, называются паровыми турбинами. Они приводят в действие генераторы электростанций и винты кораблей. В отличие от паровой машины, совершающей работу за счет использования потенциальной энергии пара, паровая турбина использует кинетическую энергию струи пара, преобразуя ее во вращательную энергию вала [3].

Силовое действие пара было открыто в 1643 году Эванджелистом Торричелли, но ещё задолго до этого существовали идеи его использования как движущего средства. Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из сопел, закреплённых на шаре, заставлял его вращаться.

Реальная паровая турбина была изобретена в средневековом Египте астрономом, физиком и инженером XVI века Такиюддином аш-Шами. Он предложил вращать вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка для вращения анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало ёмкости с грузом. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях.

Принцип действия и применение паровых машин было описано в 1655 году англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 году он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан. Однако никто не был готов рисковать деньгами ради этой революционной идеи, и паровая машина осталась неразработанной.

Таким образом, развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики могли бы воспользоваться результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения.

В 1674 году французский изобретатель Дени Папен проводил опыты по созданию вакуума в закрытом цилиндре. В Париже он, сотрудничая с голландским физиком Гюйгенсом, работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва в нём пороха. 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 [4].

Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 году создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Новая машина состояла из поршня, который с помощью кипящей воды перемещался в цилиндре вверх и за счет последующего охлаждения снова опускался – так создавалось усилие. Весь процесс происходил таким образом: под цилиндром, который выполнял одновременно и функцию кипятильного котла, размещали печь; при нахождении поршня в верхнем положении печь отодвигалась для облегчения охлаждения.

Таким образом, Папен смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой через систему блоков. Система работала только как показательная модель: для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому он считается изобретателем парового котла, хотя и не предложил конструкцию действующей паровой машины.

2. Паровые машины второго поколения Севери и Ньюкомена

Дени Папен создал первую работающую модель парового двигателя, чьим недостатком было то, что он отрабатывал только один цикл, после чего двигатель приходилось охлаждать, разбирать и собирать заново. Такая конструкция могла использоваться лишь в показательных целях, но совершенно не подходила для выполнения полезной работы. Связано это было с тем, что вода подогревалась непосредственно в цилиндре, из-за этого сам цилиндр постоянно находился в горячем состоянии и поршень не мог вернуться в исходное положение. Поэтому последователи Папена использовали для нагревания воды отдельную ёмкость – паровой котёл.

Первой применённой на производстве и запатентованной паровой машиной была “пожарная установка”, сконструированная английским инженером и владельцем шахты Томасом Севери в 1698 году. Это был паровой насос, а не двигатель: в нем не было цилиндра с поршнем, который при своем перемещении приводил бы что-то в движение. Самое важное в этом устройстве было то, что пар для работы насоса образовывался в отдельном котле. Он был довольно опасен, поскольку из-за высокого давления пара ёмкости и трубы двигателя иногда взрывались, поэтому Севери осторожно относился к тому, насколько мощным был его насос [4].

Машина работала следующим образом: сначала герметичный резервуар наполнялся паром, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, отчего пар конденсировался, и в резервуаре создавался частичный вакуум. После этого вода со дна шахты засасывалась в резервуар через заборную трубу и после впуска очередной порции пара выбрасывалась наружу через выпускную. На трубах были установлены клапаны, пропускавшие воду только из шахты в резервуар и из резервуара в сточный желоб, в обратном же направлении они воду не пропускали. Затем цикл повторялся, но воду можно было поднимать только с глубины менее 10,36 м, поскольку в действительности ее выталкивало атмосферное давление.

У насоса Севери были серьезные недостатки: он был малоэффективным, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, расходовал во время работы очень много топлива, работал прерывисто – вода откачивалось отдельными порциями. Его нельзя было использовать как универсальный двигатель для привода различных машин и механизмов, так как они в большинстве своем работают непрерывно. Тем не менее, насос Севери помог изобретателям воспринять простую мысль, что в паровых машинах следует пользоваться паром из отдельного котла.

В 1712 году английский кузнец Томас Ньюкомен, взяв за основу двигатель Севери, совместно со стекольщиком Джоном Калли продемонстрировал свой “атмосферный двигатель”. В отличие от предшествующего двигателя, этот имел отдельный цилиндр с поршнем и отдельный цилиндр насоса. Эта машина была установлена на угольной шахте в Стаффордшире для откачки воды. Она представляла собой усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором было снижено рабочее давление пара.

Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. При впрыскивании в цилиндр холодной воды пар конденсировался, в цилиндре образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом, поднимал вверх шток насоса. Когда поршень находился в нижней точке своего хода, в цилиндр снова поступал пар, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса или на коромысле, поршень поднимался в исходное положение. После этого цикл повторялся. Такую технологию, в наше время используют бетононасосы на стройках. Чтобы ликвидировать зазор между цилиндром и поршнем, Ньюкомен закрепил на торце последнего гибкий кожаный диск и налил на него немного воды.

Насос Ньюкомена стал первой паровой машиной, получившей широкое практическое применение и использовавшейся по всей Европе более 50 лет. За один день она выполняла работу, которую бригады из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, раньше выполняли за неделю. В 1775 году еще большая машина, построенная Джоном Смитом, за две недели осушила сухой док в Кронштадте. Ранее с использованием высоких ветряков на это уходил год.

Машина Ньюкомена оказалась удачной, но далёкой от совершенства. Она преобразовывала в механическую энергию всего лишь 1% тепловой энергии и, как следствие, пожирала огромное количество топлива, что, впрочем, не имело особого значения, когда машина работала на угольных шахтах. Также, из-за неравномерного хода, машины Ньюкомена часто ломались.

На своё изобретение Ньюкомен не смог получить патент, так как паровой водоподъёмник был ранее запатентован Томасом Севери, с которым Ньюкомен позднее сотрудничал. Паровая машина Ньюкомена не была универсальным двигателем и могла работать только как насос. Попытки Ньюкомена использовать возвратно-поступательное движение поршня для вращения гребного колеса на судах оказались неудачными.

В целом машины Ньюкомена сыграли огромную роль в сохранении угольной промышленности: с их помощью удалось возобновить добычу угля во многих затопленных шахтах. Заслуга Ньюкомена также и в том, что он одним из первых реализовал идею использования пара для получения механической работы.

В России первая паровая машина, способная непосредственно приводить в действие механизмы, предложена 25 апреля 1763 года И. И. Ползуновым, механиком на Колывано-Воскресенских горнорудных заводах Алтая. Эта машина предназначалась для приведения в действие воздуходувных мехов. Проект был одобрен начальником заводов, который отослал его в Петербург, где паровая машина Ползунова получила признание.

Ползунов предлагал построить вначале небольшую машину, на которой можно было бы выявить и устранить все недостатки, неизбежные в новом изобретении. Заводское начальство с этим не согласилось и решило строить сразу большую машину. Её постройку поручили Ползунову, в помощь которому были выделены двое мастеровых и несколько подсобных рабочих. Машина строилась год и девять месяцев. Когда машина прошла первое испытание, изобретатель заболел скоротечной чахоткой и за несколько дней до завершающих испытаний умер.

23 мая 1766 года ученики Ползунова Левзин и Черницын одни приступили к последним испытаниям паровой машины, а 7 августа 1766 года вся установка – паровая машина и мощная воздуходувка – была сдана в эксплуатацию. За три месяца работы машина Ползунова не только оправдала все затраты на ее постройку, но и дала чистую прибыль, в четыре раза превышающую её стоимость.

10 ноября 1766 года котел дал течь, и машина остановилась. Несмотря на то, что эту неисправность можно было легко устранить, заводское начальство, не заинтересованное в механизации, забросило творение Ползунова. В течение последующих тридцати лет машина бездействовала, а в 1779 году была разобрана.

3. Создание паровых машин непрерывного действия Джеймсом Уаттом

Паровые машины конструкции Ньюкомена успешно использовалась для откачки воды в шахтах и на судоремонтных предприятиях более 50 лет. В то же время эта конструкция имела внушительные размеры и требовала постоянного пополнения запасов угля. Временами для снабжения паровой машины топливом приходилось задействовать до 50 лошадей. Ещё одним недостатком машины Ньюкомена было то, что она, как и машина Севери, работала прерывисто, из-за чего её нельзя было использовать на транспорте или в промышленности, так как большинство машин требуют непрерывного вращения. Всё указывало на то, что данный агрегат требует усовершенствования, весь вопрос состоял лишь в том, кому эта идея придет в голову первому. Этим человеком оказался Джеймс Уатт, шотландский инженер и изобретатель.

Он родился в 1736 близ Глазго. Для обучения на мастера по слесарному делу отец отправил Уатта в Лондон. Освоив за год семилетнюю программу, Уатт возвратился в Шотландию и получил место механика в университете Глазго. Здесь он познакомился с талантливыми физиками – Дж. Блэком и Дж. Робинсоном, которые занимались определением теплоты парообразования. Уатт принимал участие в обеспечении технической стороны экспериментов [3].

Как мы уже знаем, среди паровых машин того времени были:

– “огневая машина” Папена, объединявшая в одном устройстве котел для парообразования и рабочий цилиндр;

– паровой водоподъемник военного инженера Севери, в котором рабочий цилиндр был отделен от котла и для быстрой конденсации пара обливался снаружи холодной водой;

– пароатмосферная машина Ньюкомена.

Отлаживая университетскую модель паровой машины Ньюкомена, Уатт пришел к выводу, что для уменьшения расхода пара необходимо вынести процесс конденсации за пределы цилиндра. К такому решению Уатт пришёл, обнаружив, что в машине Ньюкомена почти три четверти энергии горячего пара тратятся неэффективно: при каждом цикле пар должен нагревать цилиндр, так как перед этим в цилиндр поступала холодная вода, чтобы сконденсировать часть пара для уменьшения давления. Таким образом, энергия пара тратилась на постоянный разогрев цилиндра, вместо того, чтобы быть преобразованной в механическую энергию.

Но чтобы воплотить в жизнь данную идею, следовало разобраться с проблемой конденсации пара. Уатт сообразил, что пар следует рассматривать как обыкновенный газ, который из цилиндра можно легко направить в другую емкость, создав в ней меньшее давление. Для этих целей Уатт решил использовать откачивающий насос и систему металлических отводящих трубок, которые забирали из цилиндра пар.

Получив патент на это изобретение в 1769 году, при материальной поддержке доктора Ребека, основателя первого металлургического завода в Шотландии, Уатт построил свою первую машину. Модель оказалась неудачной. Основная сложность заключалась в том, чтобы заставить работать поршень и цилиндр, а металлургия того времени была не способна обеспечить нужную точность изготовления. Сотрудничество с Ребеком прервалось из-за его банкротства. Тогда спонсором Уатта стал Мэттью Болтон, владелец литейного завода, где работали профессиональные литейщики. Проблема изготовления цилиндра большого диаметра и соответствующего поршня с необходимой точностью была решена Джоном Уилкинсоном, который разработал соответствующую технологию на заводе, выпускающем пушечные ядра.

Следующим важным шагом в развитии паровых машин 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.

Уатт сконструировал цилиндр двойного действия – пар подавался попеременно по разные стороны от поршня, поэтому поршень совершал и рабочий и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах. Отработанный пар при этом поступал в конденсатор.

Система двойного действия позволила повысить скорость работы машины и достичь непрерывного вращения вала, улучшив плавность хода. Но, поскольку в паровой машине двойного действия шток поршня совершал возвратно-поступательное движение, прежнюю приводную систему из цепей и коромысла, которая реагировала только на тягу, пришлось переделать. Уатт разработал систему связанных тяг и применил планетарный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения штока поршня во вращательное движение, использовал тяжелый маховик, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара.

Крышку цилиндра Уатт оснастил изобретенным незадолго до того сальником, который обеспечивал свободное движение штока поршня, но предотвращал утечку пара из цилиндра. В паровой машине Ньюкомена смазка поршня осуществлялась небольшим количеством налитой на него сверху воды, в машине Уатта это стало невозможным, и, поскольку в верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку смесью тавота и нефти. Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.

В 1781 году Уатт получил патент на вторую модель своей машины и она стала символом “века пара”.

При наличии каменного угля и воды Двигатель Уатта мощностью десять лошадиных сил стало возможным установить и использовать в любом месте и для любой цели. Благодаря тому, что поршень в новом двигателе перемещался под воздействием пара, можно было многократно увеличить его мощность, просто создав большее давление. Таким образом, не нужно было наращивать габариты – последнее слово оставалось за компактными паровыми машинами, которые совсем скоро стали использоваться во всех отраслях промышленности.

В 1785 году одна из первых машин Уатта была установлена в Лондоне на пивоваренном заводе Сэмюэла Уитбреда для размалывания солода. Машина выполняла работу вместо 24 лошадей. Машина сохранилась до наших дней, и сегодня ее можно увидеть в действии в сиднейском музее “Пауэрхауз”. Позже машина широко применялась для приведения в действие станков прядильных и ткацких фабрик, и прочих промышленных предприятий. Двигатель Уатта годился для любой машины, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самодвижущихся механизмов. Таким образом, паровая машина Уатта стала изобретением века, положившим начало промышленной революции.

Позже, в 1787 Джеймс Уатт создал двигатель, на котором впервые был применен регулятор частоты вращения. Регулирование частоты вращения осуществлялось двумя сбалансированными на одной оси грузами, вращающимися синхронно с валом машины и соединенными с дроссельной заслонкой, перекрывающей проходное сечение парового патрубка. При увеличении частоты вращения центробежные силы вращающихся шаров поднимали с помощью тяг муфту, соединенную с заслонкой, уменьшая проходное сечение паропровода и скорость вращения двигателя снижалась [3]. паровой машина двигатель транспорт

Центробежный регулятор был известен задолго до Уатта и широко применялся на ветряных мельницах для автоматической регулировки зазора между жерновами, в зависимости от скорости вращения крыльев мельницы, Уатт же адаптировал его под паровую машину, создав более совершенную конструкцию, названную для отличия от прототипа “регулятором Уатта”. Особое место в истории техники регулятор Уатта занял благодаря тому, что именно его конструкция легла в основу теории и практики регуляторостроения, новой отрасли промышленности, повлекшей за собой формирование особой области знаний – “Теории автоматического управления и регулирования”, составляющей основу современных технологий управления промышленными системами.

Установка паровой машины Дж. Уатта на транспортные объекты (повозки и корабли) привела к появлению транспортного машиностроения.

4. Особенности использования паровых двигателей на транспорте

Изобретение Джеймсом Уаттом нового парового двигателя не только ускорило развитие существующих отраслей промышленности (например, текстильной), но и вызвало появление принципиально новых. В частности, произошел переворот в организации транспорта. Создание и распространение механических транспортных средств историки-экономисты называют транспортной революцией.

На начальных этапах распространение машин было ограничено тем, что их приходилось производить вручную, поэтому каждая из них сильно зависела от изобретательности мастера, однотипные машины заметно отличались друг от друга. Переворот в производстве завершился тогда, когда осуществилась механизация производства самих машин.

Первая паровая машина, используемая в качестве средства передвижения, был изобретена французом Николя Жозефом Куньо, инженером и военным стратегом-любителем. В 1765 году он создал автомобиль, который мог перевозить четырех пассажиров при максимальной скорости 9,5 км/час. Затем появился автомобиль для транспортировки орудий. Из-за невозможности продолжительной эксплуатации (непрерывный цикл работы новой машины не превышал 15 минут) изобретатель не получил поддержки властей и финансистов. Неудача постигла Куньо ещё и из-за того, что паровая установка подвергалась сильнейшей тряске при езде по брусчатой мостовой, поскольку рессорного подвешивания повозка не имела.

В силу этого недостатка сухопутные экипажи на некоторое время сместились на задний план, уступив место судам. Естественно, что на водной поверхности о вибрациях говорить не приходилось, поэтому стала возможной безопасная эксплуатация паровых машин. В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, начал осуществлять регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк).

В 1802 американец Роберт Фултон построил в Париже опытный образец лодки с паровым двигателем. Вернувшись в Америку, Фултон построил первый пассажирский пароход “Клермонт”. Характерно, что машина для этого парохода была изготовлена на заводе Уатта. В 1807 “Клермонт” совершил первый рейс по Гудзону. Сначала не нашлось ни одного смельчака, который захотел бы стать пассажиром нового судна, однако уже через четыре года Фултон основал первую в мире пароходную компанию, а еще через десять лет в Америке и Англии число пароходов уже измерялось сотнями. С 1830-х начинает действовать первая регулярная трансатлантическая пароходная линия.

В 1832 году впервые в России на заводе была построена паровая машина с кривошипно-шатунным механизмом для военного парохода “Геркулес” (Строитель парохода — английский кораблестроитель на русской службе В. Ф. Стокке). Это была первая в мире удачная для пароходов паровая машина без балансира. Англичане дважды, в 1822 и 1826 годах, делали попытку изготовить такие машины для своих пароходов, но они оказались неудачными, и англичанам пришлось довольствоваться обычными балансирными машинами. Лишь на пароходе “Горгон”, спущенном на воду в 1837 году, они смогли установить машину прямого действия (без балансира), которая стала работать нормально [3].

Между тем в Англии, после нескольких безуспешных, базировавшихся на машине Уатта, попыток Мура, Вильяма Мердока и Вильяма Саймингтона, появилось рельсовое транспортное средство Ричарда Тревитика, которое было продемонстрировано 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в городе Мертир-Тидвил в Южном Уэльсе. Это был первый в истории паровоз, которому Тревитик присвоил имя “Пышаший дьявол”. Затем, в 1802 году, паровоз “Coalbrookdale” для одноимённой угольной компании.

В 1808 году Тревитик построил более лёгкий паровоз новой конструкции, развивавший скорость до 30 км./ч. Этот паровоз получил название “Поймай меня, кто сможет”. Тревитик показывал его широкой публике в предместье Лондона, для чего построил за свой счет кольцевую дорогу в парке, где паровоз соревновался в скорости с лошадьми и перевозил людей ради развлечения.

Тревитик, кроме того, успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как “корнуэльские двигатели”, которые работали под давлением 3,4 атмосферы. Такие машины строились вплоть до 1890-х годов. Множество старых машин Уатта было реконструировано до этого уровня.

Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования.

После Тревититка паровозостроением занимался Джордж Стефенсон, английский изобретатель и инженер-механик.

В возрасте 31 года Стефенсон был назначен главным механиком угольных копей. Уголь вывозился из шахты на вагонетках с конной тягой по колейной дороге, которая была прародительницей современных железных дорог. Чтобы облегчить вывоз угля на поверхность, он сначала построил паровую машину, которая с помощью каната тянула вагонетки. А в 1814 году Стефенсон спроектировал свой первый локомотив, предназначенный для буксировки вагонеток с углём для рудничной рельсовой дороги. Машина получила название “Блюхер”. В следующие пять лет Стефенсон построил ещё 16 машин.

Опыты Стефенсона получили признание, и в 1820 году его привлекли к проектированию и строительству 13-километровой железнодорожной линии от угольной шахты Хэттон до Сандерленда. На ней использовалась комбинированная тяга: в одном направлении (вниз) состав двигался под действием сил гравитации, а обратно (наверх) затягивался с помощью парового локомотива. Эта дорога стала первой, на которой удалось полностью отказаться от мускульной силы животных в пользу механической тяги [6].

В 1821 году началось проектирование железной дороги Стоктон — Дарлингтон. В 1822 году Стефенсон приступил к работе. В 1823 году он основал в Ньюкасле первый в мире паровозостроительный завод, на котором уже в сентябре 1825 года был готов новый локомотив, получивший название “Локомоушн”. Открытие линии состоялось 27 сентября 1825 года. Паровоз, управляемый самим Стефенсоном, провёл состав, нагруженный 80 тоннами угля и муки. Поезд преодолел 15 километров за два часа, показав среднюю скорость порядка 7,5 км/ч, но на некоторых участках он разгонялся до 39 км/ч. Помимо груза в составе поезда был открытый пассажирский вагон “Эксперимент”, в котором ехали члены приёмочной комиссии. Это был первый в мировой практике случай использования железной дороги с паровой тягой для перевозки пассажиров.

В 1829 году, незадолго до открытия линии Ливерпуль – Манчестер, в проектировании которой Стефенсон принимал участие, решено было провести сравнительные испытания нескольких локомотивов от разных поставщиков, чтобы выбрать наилучший. Против пяти соперников Стефенсон выставил на конкурс свой паровоз “Ракета”. Этот паровоз оказался единственным, успешно завершившим все испытания. Он показал среднюю скорость 19 км/ч с грузом 13 тонн. При этом максимальная скорость достигала 48 км/ч. Блистательная победа стефенсоновской “Ракеты” сделала её самым знаменитым механизмом в истории техники [6].

Основная идея конструкции паровых машин Стефенсона заключалась в том, что лишний пар, после оказания давления на цилиндры, выводился в трубу, облегчая доступ чистого воздуха, обеспечивая хорошую тягу, скорейшее сгорание топлива и более высокий КПД. До начала работы над новым паровозом оставалась, однако, нерешённой другая проблема — малой площади поверхности нагрева. Стефенсон намеревался устранить этот недостаток, удлиняя котёл и увеличивая площадь поверхности жаровых труб. В последней перед “Ракетой” модели паровоза Стефенсон пришёл к концепции сдвоенной трубы, заметно увеличивающей площадь поверхности нагрева. Однако такая модель была слишком тяжёлой — основанные на этом принципе паровозы весили 12 тонн, тогда как требования организаторов конкурса предусматривали вдвое меньшую массу.

Решение было найдено благодаря водотрубному котлу, основная идея которого заключалась в прохождении воды и пара по параллельным трубкам, проложенным через топку.

Для “Ракеты” в результате экспериментов был выбран вариант, в котором по трубкам через воду в котле должен был пропускаться разогретый газ. Второй важной деталью стало сужение диаметра паровой трубы, благодаря чему скорость движения пара в системе возросла. Наконец, третьим усовершенствованием по сравнению с предыдущими моделями было прямое соединение золотников паровой машины с ведущими колёсами локомотива [6].

Благодаря техническим решениям Стефенсона паровозы получили широкое распространение и общественное признание, в результате чего на протяжении XIX в. протяженность железных дорог в развитых странах росла взрывообразно, пик роста пришелся на 1860-1880 годы.

Автомобильный паровой транспорт также развивался. Приводимые в движение паром транспортные средства все чаще использовались в США: Натан Рид в 1790 году удивил жителей Филадельфии своей моделью парового автомобиля. Однако еще больше прославился его соотечественник Оливер Эванс, который спустя четырнадцать лет изобрел автомобиль-амфибию. После наполеоновских войн, во время которых “автомобильные эксперименты” не проводились, вновь началась работа над изобретением и усовершенствованием паровой машины. В 1821 году ее можно было считать совершенной и достаточно надежной. С тех пор каждый шаг вперед в сфере приводимых в движение паром транспортных средств определенно способствовал развитию будущих автомобилей. В 1825 году сэр Голдсуорт Гарни на участке длиной 171 км от Лондона до Бата организовал первую пассажирскую линию. При этом он использовал запатентованную им карету с паровым двигателем. Это стало началом эпохи скоростных дорожных экипажей, которые, однако, исчезли в Англии, но получили широкое распространение в Италии и во Франции. Подобные транспортные средства достигли наивысшего развития с появлением в 1873 году “Реверанса” Амедэ Болле весом 4500 кг и “Манселя” – более компактного, весившего чуть более 2500 кг и достигавшего скорости 35 км/час. Оба были предвестниками той техники исполнения, которая стала характерной для первых “настоящих” автомобилей. Несмотря на большую скорость, кпд паровой машины был очень маленький. Болле также запатентовал первую хорошо действующую систему рулевого управления.

Леон Шевроле в 1907 году запустил несколько автомобилей с легким и компактным парогенератором, запатентованным им в 1889 году. Компания De Dion-Bouton, основанная в Париже в 1883 году, первые десять лет своего существования производила автомобили с паровыми двигателями и добилась при этом значительного успеха – ее автомобили выиграли гонки Париж-Руан в 1894 году [4].

Спустя некоторое время успехи компании Panhard et Levassor в использовании бензина привели к тому, что De Dion перешел на двигатели внутреннего сгорания. Когда братья Болле стали управлять компанией своего отца, они сделали то же самое. Затем и компания Chevrolet перестроила свое производство. Автомобили с паровыми двигателями все быстрее и быстрее исчезали с дорог, хотя в США они использовались до 1930 года.

5. Современные тенденции развития научных исследований и технологий создания паровых машин

Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового Океана на разных глубинах.

Первые паровые двигатели, выпускавшие отработанный пар в атмосферу, имели КПД не более 8%, но паровой двигатель с конденсатором и профилированной проточной частью имеет КПД до 30%. Паровая турбина обеспечивает до 42%. Парогазовые установки, где совместно используются газовые и паровые турбины, имеют КПД до 65%, что вдвое выше, чем КПД современных бензиновых двигателей [5].

Стоимость изготовления парового двигателя во все времена была ниже стоимости карбюраторного и дизельного моторов той же мощности. Расход жидкого топлива в новых паровых двигателях, работающих в замкнутом цикле на сухом пару и оснащённых современными системами смазки, качественными подшипниками и электронными системами регулирования рабочего цикла, на 60% меньше, чем был на старых моделях.

На сегодняшний день, можно создать паровой двигатель, который запускается не более минуты, тогда как ранее на запуск его уходило 10-20 минут.

Паровые двигатели, так же как и бензиновые, позволяют создавать достаточно быстрые транспортные средства. Рекорд скорости 1906 года – 205 км/ч, автомобили на бензиновых моторах в те годы не могли ездить так быстро. В 1985 году на паровом автомобиле была достигнута скорость 234 км/ч, а в 2009 году группа британских инженеров сконструировала паротурбинный “болид”, который был способен перемещаться с рекордной средней скоростью в заезде — 241,7 км/ч [5].

Интересно, что современные изыскания в области водородного топлива для автомобильных моторов породили ряд “боковых ответвлений”: водород в качестве топлива для классических поршневых паровых двигателей и в особенности для паротурбинных машин обеспечивает абсолютную экологичность. “Дым” от такого мотора представляет собой водяной пар.

Ещё одно преимущество парового двигателя состоит в том, что конструктивно он значительно проще двигателя внутреннего сгорания, что само по себе означает большую надёжность и неприхотливость. Ресурс паровых моторов составляет многие десятки тысяч часов непрерывной работы, что не свойственно другим типам двигателей. Кроме того, в силу принципов работы, паровой двигатель не теряет эффективности при понижении атмосферного давления. Именно по этой причине паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, в отличие от тепловозов. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки, при этом в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов [5].

В Швейцарии и в Австрии новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей 1930-х годов со множеством современных усовершенствований, таких, как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т. д. В результате такие паровозы имеют на 60% меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами.

Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса. При этом паровая машина паровоза продолжает развивать тяговое усилие даже в случае остановки колёс (упор в стену), чем отличается от всех других видов двигателей, используемых на транспорте.

Интересно отметить и ещё одно полезное свойство парового двигателя, которым он схож с электромотором постоянного тока. Снижение частоты вращения вала (например, при возрастании нагрузки) вызывает рост крутящего момента. В силу этого свойства автомобилям с паровыми моторами принципиально не нужны коробки передач – сложные и капризные механизмы.

Сегодня паровые турбины, как разновидность паровых машин, применяются на 86% всех электростанций [4].

В последнее время в промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве все более осознается целесообразность комбинированного производства электрической и тепловой энергии на паровых мини-теплоэлектроцентралях, располагаемых в непосредственной близости от потребителя. Это связано с постоянным удорожанием электроэнергии, учащением случаев возникновения аномальных шквальных ветров и заморозков, приводящих к снижению надежности линий электропередачи (обрывову проводов) централизованного электроснабжения.

Потребители, имеющие собственные котельные, иногда дополняют их силовыми установками с паровыми турбинами и электрогенераторами.

Если потребителю не нужно большое количество тепла, а только горячая вода, например, в летнее время, то мини-ТЭЦ оснащают еще абсорбционными холодильными машинами, работающими на отработавшем в турбине паре. Такие машины обеспечивают требуемое охлаждение воды, которая поступает в систему холодоснабжения для кондиционирования помещений потребителя.

Для круглогодичного бесперебойного электроснабжения потребителей, необходима безостановочная работа мини-ТЭЦ. Это возможно, например, если электроэнергию генерировать совместно с выработкой теплоты, необходимой для обеспечения потребителей горячей водой.

На площадках действующих котельных создаются и мини-ТЭЦ с увеличенной тепловой мощностью: заменяются устаревшие котлы с давлением насыщенного пара 1,4 МПа на котлы с давлением перегретого пара 4,0 МПа, что позволяет при тех же габаритах котлов значительно увеличить электрическую мощность мини-ТЭЦ [6, c. 15].

Еще со времен паровых машин более простым и дешевым рабочим органом, по сравнению с турбинной лопаткой, является поршень, поэтому на мини-ТЭЦ предлагается использовать паровые моторы.

Отличительными особенностями паровых моторов от классических паровых машин являются не только их скоростные качества, но и другой тип парораспределения. Моторы предназначены для работы с однократным расширением пара. Пар от котла поступает параллельно во все цилиндры, подобно тому, как топливо-воздушная смесь поступает в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. У классических же паровых машин пар проходит через все цилиндры последовательно, расширяясь, таким образом, многократно.

Паровой мотор, в отличие от турбины, всегда может обеспечивать прямой привод электрогенератора. Турбине, как правило, для этого требуется редуктор, т. к. для обеспечения приемлемого расхода пара она должна работать при высоких частотах вращения.

Паровой турбине требуется и система охлаждения, а это – дополнительный расход воды и потери энергии. ППД достаточно теплоизолировать, а охлаждать не требуется, т. к. температура в его цилиндрах в 5-6 раз ниже, чем у ДВС.

Российские специалисты предложили идею: переделать современный поршневой двигатель внутреннего сгорания в паровой мотор и приспособить его для работы в мини-ТЭЦ. Поскольку стоимость ДВС ниже стоимости паровой турбины, то при незначительных доработках в конструкции можно получить более дешевый двигатель: паровой мотор на базе серийного ДВС.

Специалистами научной группы МАИ разрабатываются паропоршневые двигатели – современные паровые моторы одностороннего давления. Последнее означает, что при работе мотора пар, поступающий в цилиндр, давит на поршень только с одной стороны.

В ППД, соединенном с электрогенератором, пар подается от котла, а выхлоп осуществляется в пароводяной теплообменник. Управление ППД обеспечивается по сигналам от системы автоматизированного управления.

Паровые моторы, как и паровые поршневые машины, обладают высокой надежностью. Ресурс до капитального ремонта паровых турбин определяется, в основном, ресурсом лопаток из дорогостоящих сплавов, а у паровых моторов – ресурсом более дешевых и долговечных узлов шатунно-поршневой группы. Он может быть выше, чем у ДВС, т. к. пар при работе двигателя, в отличие от горючей смеси, не взрывается, а расширяется и плавно давит на поршень.

Для технического обслуживания турбин необходим высококвалифицированный персонал. Паровые моторы, как близкие по типу к ДВС, могут обслуживаться специалистами более низкой квалификации, а их ремонт можно производить прямо на месте эксплуатации [2, с. 65].

Все поршневые двигатели, в том числе и паровые, обладают свойством самостабилизации частоты вращения вала, чего нет в турбинах. Это свойство позволяет генератору, подсоединённому к такому двигателю, вырабатывать ток, частота которого пульсирует в пределах 0,4%.

Точку зрения относительно преимуществ паровых поршневых двигателей над турбинами для мини-ТЭЦ разделяют и зарубежные специалисты. Так, в 2005 году на Американском совете по энергоэффективной экономике Майкл Мюллер из Центра передовых энергетических систем Рутгерского университета США отметил в своем докладе “Возвращение паровой машины”, что малоразмерные паровые поршневые двигатели, в отличие от турбин, надежно и экономично работают даже на влажном паре и при умеренных частотах вращения.

Недостаток паропоршневых моторов по сравнению с паровыми турбинами состоит в том, что они несколько уступают турбинам по массовым и габаритным характеристикам. Однако, как показывает многолетний опыт эксплуатации, эти показатели не являются первостепенными, на фоне ряда неоспоримых достоинств поршневых двигателей [2, c. 66].

Водогрейные котельные также можно оснащать паровыми машинами. Паровые котлы дороже водогрейных, но эксплуатационные затраты на их содержание ниже и они могут надежно работать с более высоким ресурсом.

Экологические показатели сжигания топлива в современных паровых котлах весьма неплохие. Реализация отечественной технологии сжигания твердых топлив дает возможность обеспечить работу котла с весьма низкими выбросами в атмосферу. Экологические показатели работы котлов с такими топками удовлетворяют самым жестким требованиям Ростехнадзора [6, с. 25].

Необходимо заметить, что электрогенерирующие агрегаты с паровыми моторами подходят для экологически чистых солнечных электростанций, в том числе и мини-ТЭЦ, в которых для получения пара используются котлы не с топками, а с солнечными коллекторами.

Заключение

По данной работе можно сделать ряд выводов, связанных с каждым этапом развития паровых двигателей и с каждым изобретателем.

В первом разделе были рассмотрены особенности паровой машины Дени Папена, которая была первым действующим паровым механизмом, положившим начало развитию отрасли. Папен подал идею, что для нагревания воды следует использовать отдельную ёмкость – паровой котёл, которой пользовались его последователи. Сам Папен не построил такую машину.

Во втором разделе рассмотрены паровые машины Томаса Севери и Томаса Ньюкомена. По разделу можно сделать следующие выводы.

Томас Севери создал первую паровую машину, применённую на производстве, конструкция которой предусматривала образование пара в отдельном котле. Все следующие изобретатели использовали отдельную ёмкость для получения пара.

Томас Ньюкомен предложил паровой насос, в котором, кроме парового котла, цилиндр насоса был отделён от парового цилиндра. Этот насос стал первой паровой машиной, получившей широкое практическое применение.

В третьем разделе рассматривается деятельность Джеймса Уатта как создателя паровой машины непрерывного действия. Уатт сконструировал цилиндр двойного действия, который позволил достичь непрерывного вращения вала, улучшив плавность хода, что позволило применять паровые машины как на транспорте, так и на производстве, поскольку почти все механизмы требуют постоянный привод.

В четвёртом разделе, о применении паровых машин на транспорте, показано, что первое удачное транспортное средство с паровым двигателем было построено Ричардом Тревитиком. Кроме того, показано, что самый крупный вклад в развитие как паровых двигателей, так и паровозостроения внёс Джордж Стефенсон, английский изобретатель и инженер-механик.

В 1829 году Стефенсон построил свой знаменитый паровоз “Ракета”. Основная идея конструкции парового двигателя на этом паровозе заключалась в том, что лишний пар выводился в трубу, кроме этого, Стефенсон предложил использовать водотрубный котёл. Именно такую конструкцию имели все последующие паровозы. Благодаря техническим решениям Стефенсона они получили широкое распространение.

В пятом разделе описаны современные тенденции использования паровых машин. По этой части можно заключить, что в наше время паровые машины рассматриваются как перспективное средство для привода механизмов. Паровые машины способны использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу.

В жилищно-коммунальном хозяйстве предлагается внедрять мини-теплоэлектроцентрали, источником энергии на которых является паропоршневой двигатель.

Таким образом, можно заключить, что паровые машины имеют ряд преимуществ перед двигателями внутреннего сгорания. В современных условиях, когда истощаются запасы нефти, актуальность вопроса об использовании паровых машин начинает расти. В будущем, по-видимому, паровые машины будут массово использоваться не только на электростанциях, но и в других областях, и их применение позволит избежать топливного кризиса.

Список использованной литературы

1. Абрамов В. Я. Джордж Стефенсон и Роберт Фултон, их жизнь и научно-практическая деятельность. – Челябинск: Урал, 1996. – 438 с.

2. Бурносенко А. Ю. Мини-ТЭЦ с паровыми турбинами для повышения эффективности промышленно-отопительных котельных // Новости теплоснабжения. – 2009. №1.

3. Лебедев В. И. Занимательная техника в прошлом. Ленинград: “Время”, 1933 г. – 198 с.

4. Николай Александров. Из истории паровой турбины. rosteplo. ru/Tech_stat/stat_shablon. php? id[6306;

5. Романов Ю. М. 212 лет паровому автомобилю! 7 мифов о паровой тяге. [Электронный ресурс] / Электрон. журн. – Москва: 2013. – режим доступа к журн.: computerra. ru/90554/212-let-parovomu-avtomobilyu-7-mifov-o-parovoy-tyage/, свободный.

6. Трохин И. С. Мини-ТЭЦ с паровыми моторами – реальность XXI века. // Энергосбережение. – 2012. №2. С. 62-69.

Просмотров: 195