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.
Принцип работы парового двигателя
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.
Кстати, в то же время появилось и расхожее выражение: «выпустить пар», которое означало ‒ успокоить нервы, пошумев на окружающих, без сноса собственного котелка и без жертв среди мирного населения.
Конструкция и механизм действия паровой машины
Паровой двигатель сжигает топливо во внешней камере сгорания. В результате тепло превращает воду в сжатый пар, который поступает в цилиндры и поршнем вращает коленчатый вал. Последний приводит в действие зубчатую передачу двигателя. Поскольку мотор не сжигает топливо внутри цилиндра, как это делает обычный двигатель, он может работать на любом топливе с меньшим количеством выхлопов.
Цилиндрический корпус современного парового двигателя сделан из алюминия. Рабочие устанавливают стержни для крепления 6 цилиндров из нержавеющей стали. Так как происходит постоянный контакт с паром, все детали сделаны из нержавеющих материалов.
Рабочий вставляет в каждый цилиндр поршень. Он алюминиевый, а головка и уплотнение, не дающие ему соприкасаться со стенками цилиндра, сделаны из жаростойкого углеродного волокна. Стойки поршней соединены с коленвалом в центре кожуха с помощью особой детали — крестовины. Она нужна, чтобы скорректировать ход поршня, создавая более ровное вращение вала и сообщая двигателю больше энергии.
В отличие от обычного автомобильного мотора, где цилиндры расположены в ряд, эти цилиндры имеют идеальную конфигурацию и потому равноудалены от центра. Это предотвращает деформацию мотора под действием высокой температуры.
Над крестовиной для еще более ровного хода коленчатого вала помещен противовес. Теперь над каждым поршнем устанавливаются толкатели, которые воздействуют на клапан, позволяющий входить в цилиндр и двигать поршень. Основание каждого толкателя вставляют в направляющее кольцо. Затем закрепляют головки цилиндров. В каждой из них находится паровой клапан. Толкатель вставляют в клапан и в завершение сборки устанавливают эксцентрик, который двигает толкатели при вращении вала.
Собранные на заводе двигатели подвергаются нескольким эксплуатационным испытаниям. Первый пробный пуск с применением сжатого воздуха для поиска утечек и проверки, все ли детали работают как нужно. Если все в порядке, то уже процесс повторяют уже с паром.
Такой паровой двигатель может давать энергию разным механизмам. От автомобилей и кораблей до электрогенераторов. В автомобиле ему не нужна трансмиссия. Он производит большое количество энергии вращения.
Теперь теплообменник — компонент, превращающий воду в пар, который и создает энергию. При помощи колеса стальную трубку превращают в спираль. Спираль скрепляют стальной проволокой, оставляя зазоры. Когда топливо сгорает, жар распространяется с внешней стороны витков и между ними, нагревая воду внутри трубки быстрее и эффективнее, чем при контакте только с верхней и нижней поверхностями. Результат — перегретый пар всего за 5 секунд.
Нужны 6 таких спиралей, каждая для питания одного цилиндра. Стопка спиралей образует первичный теплообменник двигателя. Для проверки используют любые виды топлива. Даже отходы, такие как отработанное моторное масло и использованное растительное масло из фритюрниц в ресторанах. Подойдет практически все, что горит. Топливо сгорает при низком давлении, а не высоком, как в бензиновом или дизельном двигателе. Это означает, что горение идет на производство пара, создавая гораздо меньше парниковых газов. Большинство углеводородов полностью и не нужно доливать воду, потому что конденсатор снова превращает пар в воду, реализуя повторное использование.
Что питало старинный паровой двигатель?
Требуется энергия, чтобы делать абсолютно все, о чем вы только можете подумать: кататься на скейтборде, летать на самолете , ходить в магазины или водить машину по улице. Большая часть энергии, которую мы используем для транспортировки сегодня, поступает из нефти, но это было не всегда так. До начала 20-го века уголь был любимым топливом в мире, и он приводил в движение все: от поездов и кораблей до злополучных паровых самолетов, изобретенных американским ученым Сэмюэлем П. Лэнгли, ранним конкурентом братьев Райт. Что такого особенного в угле? Внутри Земли его много, поэтому он был относительно недорогим и широко доступным.
Уголь является органическим химическим веществом, что означает, что он основан на элементе углерода. Уголь образуется в течение миллионов лет, когда останки мертвых растений закапывают под камнями, сжимают под давлением и варят под действием внутреннего тепла Земли . Вот почему это называется ископаемое топливо . Комки угля — это действительно комки энергии. Углерод внутри них связан с атомами водорода и кислорода соединениями, называемыми химическими связями. Когда мы сжигаем уголь на огне, связи распадаются, и энергия выделяется в форме тепла.
Уголь содержит примерно вдвое меньше энергии на килограмм, чем более чистое ископаемое топливо, такое как бензин, дизельное топливо и керосин — и это одна из причин, по которой паровые двигатели должны сжигать так много.
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.
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.
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.
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.
Машины тройного расширения
применялись при давлении пара 120-170 фунтов/дюйм2 и больше ( 4-7 атм)
V-скорость в узлах, D-водоизмещение, Н- мощность и.л.с, С-константа ( да.1/3 заменять на 0,33 и 2/3 заменять на 0,66 не рекомендую.Погрешность в полузла вылазит)
ТЕ приведены три константы
Для больших и быстрых (пассажирских)пароходов — 250
Для грузовых пароходов — 235
Для крейсеров и броненосцев- 225
Я лично для малых крейсеров в 2800-3300 т предлагаю — 200
Такто эта константа пишется и обозначается как «коэффициент Адмиралтейства» или «Адмиралтейский коэффициент».И таблицы есть. Но врядли ктото из присутствующих станет конструировать яхту.
( ктото не согласен или хочет внести свои коэффициенты ( миноносцев вот нет пока) — пожалста, только аргуметируйте расчетом- поменяем)
Те вполне можно посчитаь нужную мощность ПМ в табличном редакторе и построить очень красивые графики.
Паровой двигатель также широко применялся на пароходах, где он вращал гребные винты. Также существовали четырехколесные трактора приводимые силой пара. Кроме транспортных средств, паровой двигатель применялся на мельницах для вращения жерновов, на водокачках в водяных насосах, на мануфактурах в ткацких станках и многих других производствах.
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.
Маэстро Кюньо больше занимала идея создания парового двигателя высокого давления. Его даже не смущал тот факт, что котёл мог взорваться. Именно Кюньо придумал расположить топку под котлом и возить «костёр» с собой. Кроме того, его «телега» может по праву быть названа первым грузовиком. Отставка покровителя и череда революций не дали возможности мастеру развить модель до полноценной грузовой машины.
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.
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.
Британский инженер (опять Англия!) продемонстрировал новые возможности парового двигателя. Он создал свой Inspuration не только для демонстрации актуальности автомобилей паровой тяге. Его детище сделано для рекордов. 274 км/ч – такова скорость, которую разгоняют двенадцать котлов, установленных на 7,6 метровый болиде. Всего 40 литров воды достаточно, чтобы сжиженный газ буквально за миг довёл температуру пара до 400°С. Подумать только, истории понадобилось 103 года, чтобы побить рекорд скорости автомобиля на паровой тяге, установленный «Ракетой»!
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.
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.
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.
Кстати, в то же время появилось и расхожее выражение: «выпустить пар», которое означало ‒ успокоить нервы, пошумев на окружающих, без сноса собственного котелка и без жертв среди мирного населения.
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.
Эту схему,применяли гтам, де один цилиндр низкого давления становился слишком большим при литье. Это также удобно для более действенной балансировки двигателя.
Пар завоевывает мир
Паровая машина Ньюкомена, впервые установленная в 1712 году.
Это
был настоящий прорыв. Вращательное движение могло найти гораздо более
широкий круг применений. От коленчатого вала можно при помощи приводных
ремней передать движение на ткацкие и другие станки. Теперь пар мог
заставить крутиться колеса самодвижущихся экипажей.
Первые
попытки использовать пар для создания новых средств передвижения были
предприняты в 70-х годах XVIII века. Эти машины передвигались по
дорогам, но пройдет немного времени, и люди найдут другое применение
паровому двигателю— железные дороги. Уатт дожил до 1819 года и мог
увидеть начало промышленной революции, которую подтолкнуло его
изобретение, но он не дожил шести лет до начала эры железных дорог.
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 XIX 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.
