Паровые двигатели, принципы действия.

Паровые двигатели - величайшее достижение техники. На протяжении последних двух столетий их освоение, широкое производство и промышленное использование шли эффективнее, чем за все предшествующее время. Паровой двигатель относится к числу изобретений, которые повлияли на различные стороны жизни общества.

Переворот, произведенный паром. Первые модели парового двигателя применялись на угольных шахтах. До 1712 г. глубокие угольные пласты, будучи затоплены водой, практически не разрабатывались. Томас Ньюкомен (1663-1729) создал паровую машину [2] для откачки воды. Она была достаточно проста и, кроме некоторых частей, могла быть изготовлена на месте, однако расходовала много топлива из-за того, что после каждого хода требовала охлаждения. Поэтому ее использовали только на шахтах, где было достаточно дешевого топлива.

В паровом двигателе Ньюкомена (1712) для передачи движения к насосам впервые использовался поршень со штоком. Пар из котла [1] засасывался в цилиндр [2] при движении поршня вверх под действием стержней насосов [3]. Пар перекрывался и в цилиндр вбрызгивалась холодная вода [4].

Пар конденсировался и возникшее разрежение возвращало поршень вниз, а шток, соединявший поршень с коромыслом, приводил его в движение, заставляя работать главный насос. Воздух и водный конденсат отводились из цилиндра через трубку; с помощью небольшого насоса вода поднималась к вспомогательному баку [5].

В двигателе, изобретенном Джеймсом Уаттом (1736-1819) в 1769 г. [5], процессы нагревания и охлаждения в рабочем цикле разделялись, что позволило избежать потерь энергии, возникающих в цилиндре, и уменьшить расход топлива. Это дало возможность пользоваться двигателем Уатта даже там, где топлива было мало и оно было дорогим.

1. Топка и дверцы топки. 2. Котел. 3. Вода. 4. Поплавковый регулятор уровня. 5. Пароотводная трубка. 6. Цилиндр двигателя. 7. Поршень. 8. Паровой дроссельный клапан. 9. Коробка верхних клапанов. 10. Коробка нижних клапанов. 11. Регулятор Уатта. 12. Привод регулятора. 13. Бак для конденсата. 14. Конденсатор. 15. Ввод холодной воды. 16. Насос. 17. Бак для котельной воды. 18. Насос подачи воды в котел. 19. Труба, подающая воду в котел. 20. Система снабжения водой холодильника. 21. Шток поршня. 22. Параллелограмм. 23. Коромысло. 24 Шатун. 25. Шестерня. 26. Солнечное зубчатое колесо. 27. Маховое зубчатое колесо. 28. Зубчатое ведущее колесо рабочего вала

В паровом двигателе Уатта (1769) расход топлива сократился за счет отделения конденсатора от цилиндра, но двигатель годился только для насосов. В 1784 г. Уатт разработал двигатель с двойным рабочим ходом. Он содержал основные элементы современных двигателей и был гораздо совершеннее двигателя Ньюкомена. Топка [1] нагревала основание и стороны котла [2]. Пар под давлением 0,5 кгс/см2 поступал в цилиндр [6], перемещая поршень [7] вверх-вниз. Усилие передавалось рычажным параллелограммом [22] к коромыслу [23], которое качалось относительно своего центра, опуская и поднимая шатун [24]. Планетарная шестерня [25], укрепленная на конце шатуна, вращала связанное с ней солнечное зубчатое колесо [26] на валу зубчатого махового колеса [27].

Последний входил в зацепление с ведущим зубчатым колесом [28] на рабочем валу приводимой в движение машины. Рама двигателя была деревянной; обороты регулировались центробежным регулятором Уатта

[11]. Пар поступал в цилиндр и выпускался из него через две пары клапанов. Отработанный пар конденсировался в конденсаторе [14] струей холодной воды [15] и откачивался насосом [16].

Вода подавалась к котлу по трубе [18]; ее подачу контролировал поплавковый регулятор [4].

Двигатель Уатта стимулировал развитие промышленности, в частности производство чугуна, которое стало усиленно развиваться. Это послужило одной из причин Промышленного переворота в Англии. К середине XIX в. горизонтальные и вертикальные типы паровых двигателей были усовершенствованы и могли использоваться в качестве заводских силовых установок, главным образом на текстильных фабриках.

Широкое применение паровые двигатели нашли также на транспорте. Паровоз, изобретенный Ричардом Тревитиком (1771-1833) [4], привел к созданию железных дорог, что обеспечило более быструю и дешевую перевозку грузов по сравнению с баржами. А появившиеся вскоре пароходы намного сократили время межконтинентальных перевозок и сделали движение судов независимым от ветра и погоды.

Тревитик первым использовал пар высокого давления. Мощность относительно небольших двигателей за счет повышения давления до 3,5 кгс/см2 возросла. Тревитик отказался от конденсатора, снизив массу двигателя, а, поместив топку в котел и использовав отработанный пар для нагрева поступающей в котел воды, улучшил экономичность. Оставалось поставить двигатель на колеса, катящиеся по рельсам, чтобы доказать возможность создания железных дорог. Паровоз появился в 1803 г.; он имел один горизонтальный цилиндр внутри кот ла. Передние и задние колеса приводились в движение от маховика системой шестерен.

Дальнейшим шагом вперед в развитии энергетики было изобретение Чарлзом Парсонсом (1854-1931) паровой турбины (1884). Одно из ее преимуществ перед обычными паровыми двигателями - возможность передачи мощности непосредственно на вращающийся вал вместо передачи ее возвратно-поступательно двигающемуся поршню. Отпадает необходимость в шатунно-кривошипном механизме, который преобразует поступательное движение во вращательное. Не прошло и двух десятилетий, как турбины Парсонса мощностью свыше 70 ООО л.с. позволили океанским лайнерам в Атлантике двигаться со скоростью 40 км/ч (25 узлов).

Принципы действия паровых двигателей. Любая паровая машина преобразует энергию пара в полезную работу. Пар образуется при нагревании воды до состояния, когда жидкость превращается в газ. Если этот процесс происходит в закрытом сосуде (котле), то нагревание сопровождается ростом температуры и давления пара. Тепло может быть получено от различных источников: топлива, Солнца, ядерного реактора и др. В обычной паровой машине давление пара создает силу, действующую на поршень; последний соединен системой рычагов, преобразующих его поступательное движение во вращательное движение вала. В турбине пар проходит через сопла и воздействует на лопатки турбины, вызывая вращение ее ротора. Процесс циклический: пар, охлаждаемый в конденсаторе, превращается в воду, которая может снова нагреваться. Если процесс конденсации происходит в замкнутом сосуде, то уменьшение объема конденсата приводит к разрежению, а это может быть использовано для получения работы. Эти принципы были известны почти за сто лет до Томаса Севери (1650-1715), который объединил их в паровой машине для откачки воды из шахт (1698) [1].

В паровой машине Севери (1698) пар из котла [1] поступал в рабочую камеру [2] и вентиль [3] перекрывался. Холодная вода из крана [4] охлаждала рабочую камеру, пар конденсировался, создавалось разрежение и вода из трубы [5] поднималась в рабочую камеру. Пар снова впускался в камеру [2] и проталкивал воду вверх через клапан [6]

В результате конденсации пара в рабочем цикле часть энергии теряется, поэтому паровые двигатели проектируют так, чтобы повысить температуру пара до предельных значений; это уменьшает возможность конденсации пара в рабочем цикле, обеспечивая низкую температуру выпуска. Для получения максимальной работы пара последний подается к двигателю через трубы, проходящие от котла через горячий поток газов (перегреватель). В современных силовых станциях перегретый пар достигает температур порядка 600°С. Можно повысить кпд паровой машины, забирая пар после использования в промежуточной части цикла и снова нагревая его в перегревателе. При этом теплота, выделяемая топливом в топке, повышает энергию пара. Выпуск пара охлаждает стенки цилиндра. Во избежание этого цилиндр заключают в наружную оболочку, наполненную горячим паром (рубашку).

Проблемы уменьшения расхода топлива. Имеются и другие пути повышения экономичности. Воду, идущую к котлу, следует нагреть до температуры, близкой к точке кипения, прежде чем начнется интенсивное парообразование. Существуют различные способы нагрева воды при малом расходе топлива. Можно воспользоваться экономайзером, т. е. рядом трубок, находящихся в среде горячих газов котла. При прохождении через экономайзер вода, подаваемая в котел, нагревается до 93°С. Однако в современных силовых станциях с температурой пара 370°С требуется предварительное нагревание до более высоких температур. Его можно выполнить в несколько стадий. При многоступенчатом нагревании в котел подается вода, нагреваемая паром, забираемым из различных точек системы паровой турбины. Такой способ требует меньших затрат энергии, чем нагрев воды непосредственно рабочим (самым горячим) паром.