Silnik parowy został wynaleziony przez ekonomistę. Poruszanie się z parą.
Pierwsze znane urządzenie zasilane parą zostało opisane przez Czaplę Aleksandryjską w I wieku, tzw. „kąpiel czapli” lub „aeolipil”. Para wydobywająca się stycznie z dysz zamocowanych na kuli wprawiała kulę w ruch obrotowy. Przypuszcza się, że przemiana pary w ruch mechaniczny była znana w Egipcie w okresie panowania rzymskiego i była stosowana w prostych urządzeniach.
Pierwsze silniki przemysłowe
Żadne z opisanych urządzeń nie zostało faktycznie wykorzystane jako środek do rozwiązywania użytecznych problemów. Pierwszym silnikiem parowym użytym do produkcji był „wóz strażacki”, zaprojektowany przez angielskiego inżyniera wojskowego Thomasa Savery'ego w 1698 roku. Savery otrzymał patent na swoje urządzenie w 1698 roku. Była to tłokowa pompa parowa i oczywiście niezbyt wydajna, ponieważ ciepło pary tracone było za każdym razem, gdy pojemnik był schładzany, i raczej niebezpieczna w działaniu, ponieważ z powodu wysokie ciśnienie zbiorniki pary i rurociągi silnika czasami eksplodowały. Ponieważ urządzenie to mogło służyć zarówno do obracania kół młyna wodnego, jak i do wypompowywania wody z kopalń, wynalazca nazwał je „przyjacielem górnika”.
Następnie angielski kowal Thomas Newcomen zademonstrował w 1712 roku swój „silnik atmosferyczny”, który był pierwszą maszyną parową, na którą mogło być zapotrzebowanie komercyjne. Został ulepszony silnik parowy Savery, w którym Newcomen znacznie obniżył ciśnienie robocze pary. Nowicjusz mógł być oparty na opisie eksperymentów Papina prowadzonych przez Royal Society of London, do którego mógł mieć dostęp za pośrednictwem członka stowarzyszenia, Roberta Hooke'a, który pracował z Papinem.
Schemat silnika parowego Newcomen.
– Para jest pokazana na fioletowo, woda na niebiesko.
– Otwarte zawory są pokazane na zielono, zamknięte zawory na czerwono
Pierwszym zastosowaniem silnika Newcomen było pompowanie wody z kopalni głębinowej. W pompie kopalnianej wahacz był połączony z prętem, który schodził do kopalni do komory pompy. Ruchy posuwisto-zwrotne ciągu były przenoszone na tłok pompy, która dostarczała wodę do góry. Zawory wczesnych silników Newcomen były otwierane i zamykane ręcznie. Pierwszym usprawnieniem była automatyzacja zaworów, które były napędzane przez samą maszynę. Legenda mówi, że to ulepszenie zostało dokonane w 1713 roku przez chłopca Humphreya Pottera, który musiał otwierać i zamykać zawory; kiedy mu się to znudziło, związał korbki zaworami linami i poszedł bawić się z dziećmi. Do 1715 roku stworzono już system sterowania dźwignią, napędzany mechanizmem samego silnika.
Pierwszy dwucylindrowy silnik parowy próżniowy w Rosji został zaprojektowany przez mechanika I. I. Polzunova w 1763 roku i zbudowany w 1764 roku do napędzania mieszków dmuchaw w fabrykach Barnaula Kolyvano-Voskresensky.
Humphrey Gainsborough zbudował model silnika parowego skraplacza w latach 60. XVIII wieku. W 1769 r. szkocki mechanik James Watt (być może korzystając z pomysłów Gainsborough) opatentował pierwsze poważne ulepszenia silnika próżniowego Newcomena, dzięki czemu był on znacznie bardziej oszczędny pod względem zużycia paliwa. Wkład Watta polegał na rozdzieleniu fazy kondensacji silnika próżniowego w oddzielnej komorze, podczas gdy tłok i cylinder znajdowały się w temperaturze pary. Watt dodał kilka ważnych szczegółów do silnika Newcomena: umieścił tłok wewnątrz cylindra, aby wyrzucić parę i przekształcił ruch posuwisto-zwrotny tłoka w ruch obrotowy koła napędowego.
W oparciu o te patenty Watt zbudował w Birmingham silnik parowy. Do 1782 roku maszyna parowa Watta była ponad 3 razy wydajniejsza niż Newcomen. Poprawa sprawności silnika Watta doprowadziła do wykorzystania energii parowej w przemyśle. Ponadto, w przeciwieństwie do silnika Newcomena, silnik Watta umożliwiał przenoszenie ruchu obrotowego, podczas gdy we wczesnych modelach silników parowych tłok był połączony z wahaczem, a nie bezpośrednio z korbowodem. Silnik ten posiadał już główne cechy nowoczesnych parowozów.
Dalszym wzrostem wydajności było zastosowanie pary wysokociśnieniowej (Amerykanin Oliver Evans i Anglik Richard Trevithick). R. Trevithick z powodzeniem zbudował wysokociśnieniowe przemysłowe silniki jednosuwowe, znane jako „silniki Cornish”. Pracowały przy 50 psi, czyli 345 kPa (3,405 atmosfer). Jednak wraz ze wzrostem ciśnienia wzrastało też niebezpieczeństwo wybuchów w maszynach i kotłach, co początkowo prowadziło do licznych wypadków. Z tego punktu widzenia najbardziej ważny element maszyny wysokociśnieniowe Zawór bezpieczeństwa który uwolnił nadciśnienie. Niezawodna i bezpieczna eksploatacja rozpoczęła się dopiero wraz z gromadzeniem doświadczenia i ujednoliceniem procedur budowy, eksploatacji i konserwacji sprzętu.
Francuski wynalazca Nicolas-Joseph Cugnot zademonstrował w 1769 roku pierwszy działający samobieżny pojazd parowy: „fardier à vapeur” (wózek parowy). Być może jego wynalazek można uznać za pierwszy samochód. Samobieżny ciągnik parowy okazał się bardzo przydatny jako mobilne źródło energii mechanicznej, które wprawiało w ruch inne maszyny rolnicze: młocarnie, prasy itp. W 1788 r. parowiec zbudowany przez Johna Fitcha kursował już regularnie wzdłuż Rzeka Delaware między Filadelfią (Pensylwania) a Burlington (stan Nowy Jork). Na pokład zabrał 30 pasażerów i jechał z prędkością 7-8 mil na godzinę. Parowiec J. Fitcha nie odniósł sukcesu komercyjnego, ponieważ z jego trasą konkurowała dobra droga lądowa. W 1802 r. szkocki inżynier William Symington zbudował konkurencyjny parowiec, aw 1807 r. amerykański inżynier Robert Fulton użył silnika parowego Watt do napędzania pierwszego komercyjnego parowca. 21 lutego 1804 roku w hucie Penydarren w Merthyr Tydfil w południowej Walii wystawiono pierwszą samobieżną lokomotywę parową, zbudowaną przez Richarda Trevithick.
Silniki parowe tłokowe
Silniki tłokowe wykorzystują siłę pary do poruszania tłokiem w zamkniętej komorze lub cylindrze. Ruch posuwisto-zwrotny tłoka można mechanicznie przekształcić w ruch liniowy w przypadku pomp tłokowych lub w ruch obrotowy w celu napędzania obracających się części obrabiarek lub kół pojazdów.
maszyny próżniowe
Wczesne silniki parowe nazywano początkowo „silnikami strażackimi”, a także „atmosferycznymi” lub „kondensacyjnymi” silnikami Watta. Pracowali na zasadzie próżni i dlatego są również znane jako „silniki próżniowe”. Takie maszyny pracowały do napędzania pomp tłokowych, w każdym razie nie ma dowodów na to, że były używane do innych celów. Podczas pracy maszyny parowej typu próżniowego na początku cyklu parowego niskie ciśnienie jest wpuszczany do komory roboczej lub cylindra. Zawór wlotowy następnie zamyka się, a para schładza się i skrapla. W silniku Newcomen woda chłodząca jest wtryskiwana bezpośrednio do cylindra, a kondensat spływa do kolektora kondensatu. Powoduje to powstanie próżni w cylindrze. Ciśnienie atmosferyczne w górnej części cylindra naciska na tłok i powoduje jego ruch w dół, czyli skok mocy.
Ciągłe chłodzenie i dogrzewanie cylindra roboczego maszyny było bardzo marnotrawne i nieefektywne, jednak te parowozy pozwalały na pompowanie wody z większej głębokości niż było to możliwe przed ich pojawieniem się. W 1774 roku pojawiła się wersja silnika parowego, stworzona przez firmę Watt we współpracy z Matthew Boultonem, której główną innowacją było usunięcie procesu kondensacji w specjalnej oddzielnej komorze (skraplaczu). Ta komora została umieszczona w wannie z zimna woda, i był połączony z cylindrem za pomocą rurki, na którą nakłada się zawór. Do komory kondensacyjnej podłączono specjalną małą pompę próżniową (prototyp pompy kondensatu), napędzaną wahaczem i służącą do usuwania kondensatu ze skraplacza. Wynikowy gorąca woda był zasilany przez specjalną pompę (prototyp pompy zasilającej) z powrotem do kotła. Kolejną radykalną innowacją było zamknięcie górnego końca cylindra roboczego, na szczycie którego znajdowała się teraz para niskociśnieniowa. Ta sama para była obecna w podwójnym płaszczu cylindra, utrzymując jego stałą temperaturę. Podczas ruchu tłoka w górę, para ta była przenoszona specjalnymi rurkami do dolnej części cylindra w celu skondensowania podczas następnego suwu. Maszyna faktycznie przestała być „atmosferyczna”, a jej moc zależała teraz od różnicy ciśnień między parą o niskim ciśnieniu a próżnią, którą można było uzyskać. W silniku parowym Newcomen tłok smarowano niewielką ilością wody na wierzch, w silniku Watta stało się to niemożliwe, ponieważ para znajdowała się teraz w górnej części cylindra, konieczne było przejście na smarowanie za pomocą mieszanina smaru i oleju. Ten sam smar zastosowano w dławnicy pręta cylindra.
Silniki parowe próżniowe, pomimo oczywistych ograniczeń ich sprawności, były stosunkowo bezpieczne przy użyciu pary o niskim ciśnieniu, co było dość zgodne z ogólnie niskim poziomem osiemnastowiecznej technologii kotłowej. Moc maszyny była ograniczona niskim ciśnieniem pary, wielkością cylindra, szybkością spalania paliwa i parowania wody w kotle oraz wielkością skraplacza. Maksymalna teoretyczna sprawność była ograniczona stosunkowo małą różnicą temperatur po obu stronach tłoka; to sprawiło, że maszyny próżniowe przeznaczone do użytku przemysłowego były zbyt duże i drogie.
Kompresja
Otwór wylotowy cylindra silnika parowego zamyka się nieco, zanim tłok osiągnie swoje położenie końcowe, pozostawiając w cylindrze trochę pary odlotowej. Oznacza to, że w cyklu pracy występuje faza sprężania, która tworzy tak zwaną „poduszkę parową”, która spowalnia ruch tłoka w skrajnych położeniach. Eliminuje również nagły spadek ciśnienia na samym początku fazy ssania, gdy do cylindra dostaje się świeża para.
Osiągnięcie
Opisany efekt „poduszki parowej” jest również wzmocniony przez fakt, że wlot świeżej pary do cylindra rozpoczyna się nieco wcześniej niż tłok osiąga skrajne położenie, to znaczy następuje pewien postęp wlotu. Postęp ten jest konieczny, aby przed rozpoczęciem suwu roboczego tłoka pod działaniem świeżej pary para zdążyła wypełnić martwą przestrzeń powstałą w wyniku poprzedniej fazy, czyli kanały wlotowo-wylotowe i objętość cylindra niewykorzystana do ruchu tłoka.
proste rozszerzenie
Prosta ekspansja zakłada, że para działa tylko wtedy, gdy rozpręża się w cylindrze, a para wylotowa jest uwalniana bezpośrednio do atmosfery lub wchodzi do specjalnego skraplacza. Ciepło resztkowe pary można następnie wykorzystać na przykład do ogrzania pomieszczenia lub pojazdu, jak również do wstępnego ogrzania wody wchodzącej do kotła.
Mieszanina
Podczas procesu rozprężania w cylindrze maszyny wysokociśnieniowej temperatura pary spada proporcjonalnie do jej rozprężania. Ponieważ nie ma wymiany ciepła (proces adiabatyczny), okazuje się, że para wchodzi do cylindra z wyższą temperaturą niż go opuszcza. Takie wahania temperatury w cylindrze prowadzą do spadku wydajności procesu.
Jedną z metod radzenia sobie z tą różnicą temperatur zaproponował w 1804 roku angielski inżynier Arthur Wolfe, który opatentował Wysokociśnieniowy silnik parowy Wulff compound. W tej maszynie para o wysokiej temperaturze z kotła parowego wchodziła do cylindra wysokociśnieniowego, a następnie para wypuszczana w nim o niższej temperaturze i ciśnieniu wchodziła do cylindra (lub cylindrów) niskociśnieniowego. Zmniejszyło to różnicę temperatur w każdym cylindrze, co ogólnie zmniejszyło straty temperatury i poprawiło ogólną sprawność silnika parowego. Para niskociśnieniowa miała większą objętość i dlatego wymagała większej objętości cylindra. Dlatego w maszynach mieszanych cylindry niskociśnieniowe miały większą średnicę (a czasem dłuższą) niż cylindry wysokociśnieniowe.
Ten układ jest również znany jako „podwójna ekspansja”, ponieważ ekspansja pary zachodzi w dwóch etapach. Czasami jeden butla wysokociśnieniowa była łączona z dwoma butlami niskociśnieniowymi, w wyniku czego powstały trzy w przybliżeniu tej samej wielkości butle. Taki schemat był łatwiejszy do zrównoważenia.
Dwucylindrowe maszyny mieszające można sklasyfikować jako:
- Związek krzyżowy- Cylindry są umieszczone obok siebie, ich kanały przewodzące parę są skrzyżowane.
- Mieszanka tandemowa- Cylindry są ułożone szeregowo i używają jednego pręta.
- Związek kątowy- Cylindry są ustawione pod kątem, zwykle 90 stopni i działają na jednej korbie.
Po latach 80. XIX w. silniki parowe stały się szeroko rozpowszechnione w produkcji i transporcie, stając się praktycznie jedynym typem używanym na statkach parowych. Ich zastosowanie w lokomotywach parowych nie było tak powszechne, ponieważ okazały się zbyt skomplikowane, częściowo ze względu na trudne warunki pracy parowozów w transporcie kolejowym. Chociaż lokomotywy złożone nigdy nie stały się powszechnym zjawiskiem (zwłaszcza w Wielkiej Brytanii, gdzie były bardzo rzadkie i nie były w ogóle używane po latach 30.), zyskały pewną popularność w kilku krajach.
Wielokrotna ekspansja
Uproszczony schemat silnika parowego z potrójnym rozprężaniem.
Para o wysokim ciśnieniu (czerwona) z kotła przechodzi przez maszynę, pozostawiając skraplacz pod niskim ciśnieniem (niebieski).
Logicznym rozwinięciem schematu złożonego było dodanie do niego dodatkowych etapów rozbudowy, co zwiększyło wydajność pracy. W rezultacie powstał schemat wielokrotnego rozszerzenia, znany jako maszyny z potrójnym lub nawet poczwórnym rozszerzeniem. Takie silniki parowe wykorzystywały szereg cylindrów dwustronnego działania, których objętość zwiększała się z każdym stopniem. Czasami zamiast zwiększania objętości butli niskociśnieniowych stosowano zwiększenie ich ilości, tak jak w niektórych maszynach zespolonych.
Zdjęcie po prawej pokazuje działający silnik parowy z potrójnym rozprężaniem. Para przepływa przez maszynę od lewej do prawej. Blok zaworowy każdego cylindra znajduje się po lewej stronie odpowiedniego cylindra.
Pojawienie się tego typu silników parowych stało się szczególnie istotne dla floty, ponieważ wymagania dotyczące wielkości i masy silników okrętowych nie były zbyt rygorystyczne, a co najważniejsze, taki schemat ułatwiał stosowanie skraplacza, który zwraca parę wylotową w postaci świeża woda z powrotem do kotła (nie można było użyć słonej wody morskiej do zasilania kotłów). Silniki parowe naziemne zwykle nie miały problemów z zaopatrzeniem w wodę i dlatego mogły emitować do atmosfery parę spalinową. Dlatego taki schemat był dla nich mniej istotny, zwłaszcza biorąc pod uwagę jego złożoność, rozmiar i wagę. Dominacja silników parowych z wielokrotnym rozprężaniem zakończyła się dopiero wraz z pojawieniem się i rozpowszechnieniem turbin parowych. Jednak współczesne turbiny parowe wykorzystują tę samą zasadę podziału przepływu na cylindry wysokiego, średniego i niskiego ciśnienia.
Silniki parowe o przepływie bezpośrednim
Parowozy jednoprzelotowe powstały w wyniku próby przezwyciężenia jednej z wad silników parowych z tradycyjnym rozprowadzaniem pary. Faktem jest, że para w zwykłym silniku parowym stale zmienia kierunek ruchu, ponieważ to samo okno po każdej stronie cylindra służy zarówno do wlotu, jak i wylotu pary. Gdy para wylotowa opuszcza cylinder, chłodzi jego ścianki i kanały dystrybucji pary. W związku z tym świeża para zużywa pewną część energii na ich ogrzewanie, co prowadzi do spadku wydajności. Jednorazowe silniki parowe mają dodatkowy otwór, który na końcu każdej fazy jest otwierany przez tłok i przez który para opuszcza cylinder. Poprawia to wydajność maszyny, ponieważ para porusza się w jednym kierunku, a gradient temperatury ścianek cylindra pozostaje mniej więcej stały. Maszyny jednoprzelotowe z pojedynczym rozszerzeniem wykazują mniej więcej taką samą wydajność jak maszyny zespolone z konwencjonalną dystrybucją pary. Ponadto mogą pracować przy wyższych prędkościach, dlatego przed pojawieniem się turbin parowych były często wykorzystywane do napędzania generatorów prądu, które wymagają dużych prędkości obrotowych.
Jednorazowe silniki parowe są jedno- lub dwustronnego działania.
Turbiny parowe
Turbina parowa to szereg wirujących dysków zamocowanych na jednej osi, zwanych wirnikiem turbiny, oraz szereg nieruchomych dysków naprzemiennych z nimi, zamocowanych na podstawie, zwanych stojanem. Tarcze wirnika mają łopatki po zewnętrznej stronie, para jest dostarczana do tych łopatek i obraca tarcze. Tarcze stojana mają podobne łopatki ustawione pod przeciwległymi kątami, które służą do przekierowania strumienia pary na kolejne tarcze wirnika. Każda tarcza wirnika i odpowiadająca jej tarcza stojana nazywana jest stopniem turbiny. Liczba i wielkość stopni każdej turbiny dobierane są w taki sposób, aby maksymalizować energię użyteczną pary o prędkości i ciśnieniu, które jest do niej dostarczane. Para wylotowa opuszczająca turbinę dostaje się do skraplacza. Turbiny obracają się z bardzo dużymi prędkościami, dlatego przy przekazywaniu mocy do innych urządzeń powszechnie stosuje się specjalne przekładnie obniżające. Ponadto turbiny nie mogą zmienić kierunku obrotów i często wymagają dodatkowych mechanizmów odwrotnych (czasami stosuje się dodatkowe stopnie odwrotnego obrotu).
Turbiny przetwarzają energię pary bezpośrednio na ruch obrotowy i nie wymagają dodatkowych mechanizmów do zamiany ruchu posuwisto-zwrotnego na ruch obrotowy. Ponadto turbiny są bardziej kompaktowe niż maszyny tłokowe i mają stałą siłę na wale wyjściowym. Ponieważ turbiny mają prostszą konstrukcję, wymagają mniej konserwacji.
Głównym zastosowaniem turbin parowych jest wytwarzanie energii elektrycznej (około 86% światowej produkcji energii elektrycznej wytwarzane jest przez turbiny parowe), ponadto są one często wykorzystywane jako silniki okrętowe (m.in. statki jądrowe i podwodne). Zbudowano również szereg lokomotyw parowych
Parowóz w starej cukrowni na Kubie
Stacjonarne lokomotywy parowe można podzielić na dwa typy w zależności od sposobu użytkowania:
- Maszyny o zmiennym obciążeniu, które obejmują walcarki, wciągarki parowe i podobne urządzenia, które muszą często się zatrzymywać i zmieniać kierunek.
- Maszyny elektryczne, które rzadko się zatrzymują i nie wymagają zmiany kierunku obrotów. Należą do nich silniki napędowe w elektrowniach, a także silniki przemysłowe stosowane w fabrykach, fabrykach i kolejach linowych przed powszechnym zastosowaniem trakcji elektrycznej. Silniki niska moc stosowany w modelach statków i urządzeniach specjalnych. Czerepanow w zakładzie Niżny Tagil w 1834 r. za transport rudy. Rozwijał prędkość 13 mil na godzinę i przewoził ponad 200 funtów (3,2 tony) ładunku. Długość pierwszej linii kolejowej wynosiła 850 m.
Zalety silników parowych
Główną zaletą silników parowych jest to, że mogą wykorzystać prawie każde źródło ciepła do przekształcenia go w pracę mechaniczną. To odróżnia je od silników wewnętrzne spalanie, z których każdy rodzaj wymaga użycia określonego rodzaju paliwa. Ta zaleta jest najbardziej zauważalna przy wykorzystaniu energii jądrowej, ponieważ reaktor jądrowy nie jest w stanie generować energii mechanicznej, a jedynie wytwarza ciepło, które jest wykorzystywane do wytwarzania pary napędzającej silniki parowe (zwykle turbiny parowe). Ponadto istnieją inne źródła ciepła, których nie można wykorzystywać w silnikach spalinowych, np. energia słoneczna. Ciekawym kierunkiem jest wykorzystanie energii różnicy temperatur Oceanu Światowego na różnych głębokościach.
Inne typy silników spalinowych również mają podobne właściwości, jak silnik Stirlinga, który może zapewnić bardzo wysoką sprawność, ale są znacznie większe i cięższe niż współczesne typy silników parowych.
Lokomotywy parowe dobrze radzą sobie na dużych wysokościach, ponieważ ich wydajność nie spada z powodu niskiego ciśnienia atmosferycznego. Lokomotywy parowe są nadal używane w górzystych regionach Ameryki Łacińskiej, mimo że na nizinach od dawna są zastępowane przez bardziej nowoczesne typy lokomotyw.
W Szwajcarii (Brienz Rothhorn) i Austrii (Schafberg Bahn) sprawdziły się nowe parowozy wykorzystujące suchą parę. Ten typ lokomotywy parowej został opracowany z modeli Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) z lat 30. XX wieku, z wieloma nowoczesnymi ulepszeniami, takimi jak zastosowanie łożysk tocznych, nowoczesna izolacja termiczna, spalanie lekkich frakcji oleju jako paliwa, ulepszone linie parowe itp. re. W rezultacie lokomotywy te charakteryzują się o 60% niższym zużyciem paliwa i znacznie niższymi wymaganiami konserwacyjnymi. Walory ekonomiczne takich lokomotyw są porównywalne z nowoczesnymi lokomotywami spalinowymi i elektrycznymi.
Gdzie W out- praca mechaniczna, J; Qin- zużyta ilość ciepła, J.
Silnik cieplny nie może być bardziej wydajny niż cykl Carnota, w którym ciepło jest przekazywane z grzejnika wysokotemperaturowego do chłodnicy niskotemperaturowej. Sprawność idealnego silnika cieplnego Carnota zależy wyłącznie od różnicy temperatur, a do obliczeń wykorzystuje się bezwzględną temperaturę termodynamiczną. Dlatego w przypadku silników parowych maksymalna ciepło T 1 na początku cyklu (osiągane np. przez przegrzanie) i jak najwięcej niska temperatura T 2 na końcu cyklu (na przykład z kondensatorem):
![](https://agent39.ru/wp-content/uploads/2018/90901890890.png)
Silnik parowy odprowadzający parę do atmosfery będzie miał praktyczną sprawność (w tym kocioł) od 1 do 8%, ale silnik ze skraplaczem i rozszerzeniem ścieżki przepływu może poprawić sprawność nawet o 25% lub nawet więcej. Elektrociepłownia z przegrzewaczem i regeneracyjnym podgrzewaniem wody może osiągnąć sprawność 30 - 42%. Instalacje o cyklu skojarzonym, w których energia paliwowa jest najpierw wykorzystywana do napędu turbiny gazowej, a następnie do turbiny parowej, mogą osiągnąć sprawność 50-60%. W elektrociepłowniach efektywność zwiększa się dzięki wykorzystaniu częściowo zużytej pary na potrzeby ogrzewania i produkcji. W tym przypadku zużywane jest do 90% energii paliwa, a tylko 10% jest bezużytecznie rozpraszane w atmosferze.
Takie różnice w sprawności wynikają ze specyfiki cyklu termodynamicznego silników parowych. Na przykład największe obciążenie grzewcze przypada na okres zimowy, więc sprawność CHP wzrasta zimą.
Jedną z przyczyn spadku sprawności jest to, że średnia temperatura pary w skraplaczu jest nieco wyższa niż temperatura środowisko(powstaje tak zwana różnica temperatur). Średnią różnicę temperatur można zmniejszyć, stosując kondensatory wieloprzepustowe. Zastosowanie ekonomizerów, regeneracyjnych nagrzewnic powietrza i innych środków optymalizacji obiegu pary również zwiększa wydajność.
Bardzo ważną właściwością silników parowych jest to, że rozszerzanie i kurczenie izotermiczne zachodzi przy stałym ciśnieniu. Dlatego wymiennik ciepła może być dowolnej wielkości, a różnica temperatur między płynem roboczym a chłodnicą lub nagrzewnicą wynosi prawie 1 stopień. Dzięki temu straty ciepła można ograniczyć do minimum. Dla porównania różnice temperatur między nagrzewnicą lub chłodnicą a płynem roboczym w Stirlingu mogą sięgać 100°C.
maszyny nietradycyjne
Na czwartym kanale brytyjskiej telewizji od 1998 roku odbywa się reality show „Scrapheap Challenge” („Wezwanie z wysypiska”), w którym rywalizują ze sobą dwie drużyny składające się z trzech stałych uczestników i jednego specjalisty. Drużyny mają 10 godzin na zbudowanie danego samochodu z części znalezionych na złomowisku, a następnie umawiane są wyścigi. W 2007 roku brytyjscy i amerykańscy inżynierowie budowali parowiec w duchu Brunela. W tym samym czasie brytyjska ekipa sterowała maszyną parową Układ elektryczny z mikroprzełącznikami i zaworami elektromagnetycznymi. Ich parowiec nabrał prędkości zbliżonej do prędkości łodzi amerykańskiej z silnikiem Diesla.
Jak działa silnik parowy
Silniki cieplne
Maszyny, które wytwarzają pracę mechaniczną w wyniku wymiany ciepła z otaczającymi ciałami, nazywane są silnikami cieplnymi. We wszystkich typach tego typu silników praca ciągła lub okresowo powtarzająca się jest możliwa tylko wtedy, gdy maszyna, która ją wykonuje, nie tylko odbiera ciepło z jakiegoś ciała (grzałki), ale także oddaje część ciepła do innego ciała (chłodnicy).
Rysunek, wykonany przez nieznanego artystę według wskazówek Izaaka Newtona (1642-1727), przedstawia urządzenie uproszczonego wózka wykorzystującego do ruchu siłę bierną strumienia pary.
silniki parowe
W połowie XVII wieku podjęto pierwsze próby przejścia na produkcję maszynową, co wymagało stworzenia silników nie zależnych od lokalnych źródeł energii (woda, wiatr itp.). Pierwszy silnik do użycia energia cieplna paliwem chemicznym była maszyna parowo-atmosferyczna, wykonana według projektów francuskiego fizyka Denisa Papina i angielskiego mechanika Thomasa Savery'ego. Maszyna ta została pozbawiona możliwości bezpośredniego służenia jako napęd mechaniczny, była „dołączona” do koła młyna wodnego (współcześnie turbina wodna), które obracało wodę wyciskaną parą z kotła silnika parowego do zbiornika wieży ciśnień. Kocioł był ogrzewany parą lub chłodzony wodą: maszyna pracowała okresowo.
Jak działa silnik parowy
Prawdziwa maszyna parowa działa tak: woda w zamkniętym kotle doprowadzana jest do wrzenia. Para może wydostać się tylko przez otwór, który prowadzi do specjalnej rury.
Ta tuba, zwana cylindrem, zawiera ruchomy tłok. Para naciska na tłok i porusza korbowód, który obraca koło zamachowe.
Po wykonaniu tej pracy para wychodzi przez zawór i wchodzi do systemu rurociągów.
Potężne silniki parowe mają oczywiście niezwykle złożoną konstrukcję.
Zasada działania silnika parowego
Tłok tworzy jedną lub dwie wnęki o zmiennej objętości w cylindrze silnika parowego, w których zachodzą procesy sprężania i rozprężania.
Praca tłoka 1 poprzez pręt 2, suwak 3, korbowód 4 i korbę 5 jest przenoszona na wał główny 6, który przenosi koło zamachowe 7, co służy do zmniejszenia nierównomiernego obrotu wału. Mimośród, osadzony na głównym wale, za pomocą mimośrodowego pręta, napędza szpulę 8, która kontroluje dopływ pary do wnęki cylindra. Para z cylindra jest uwalniana do atmosfery lub dostaje się do skraplacza. Aby utrzymać stałą liczbę obrotów wału przy zmiennym obciążeniu, silniki parowe są wyposażone w regulator odśrodkowy 9, który automatycznie zmienia przekrój przejścia pary wchodzącej do silnika parowego (sterowanie przepustnicą, pokazane na rysunku) lub moment odcięcia napełniania (regulacja ilościowa).
Klasyfikacja silnika parowego
Silniki parowe są podzielone:
po wcześniejszym umówieniu
stacjonarny
niestacjonarne (mobilne i transportowe)
w zależności od użytej pary
niskie ciśnienie (do 12 kg/cm²)
średnie ciśnienie (do 60 kg/cm²)
wysokie ciśnienie (powyżej 60 kg/cm²)
zgodnie z liczbą obrotów wału
wolnoobrotowe (do 50 obr./min, jak w parowarach łopatkowych)
wysoka prędkość
zgodnie z ciśnieniem uwolnionej pary
do kondensacji (ciśnienie w skraplaczu 0,1-0,2 atm)
wydech (o ciśnieniu 1,1-1,2 atm)
kogeneracja z odciągiem pary do celów grzewczych lub dla turbin parowych o ciśnieniu od 1,2 atm do 60 atm w zależności od celu wydobycia (ogrzewanie, regeneracja, procesy technologiczne, uruchamianie wysokich kropel w dolotowych turbinach parowych).
Zgodnie z lokalizacją cylindrów
poziomy
skośny
pionowy
według liczby cylindrów
jednocylindrowy
wielocylindrowy
podwójne, potrójne itp., w których każdy cylinder jest zasilany świeżą parą
silniki parowe wielokrotnego rozprężania, w których para rozpręża się sekwencyjnie w 2, 3, 4 cylindrach o rosnącej objętości, przechodząc z cylindra do cylindra poprzez tzw. odbiorniki (kolektory).
W zależności od rodzaju mechanizmu przekładni, wiele silników parowych rozprężnych dzieli się na maszyny tandemowe i maszyny zespolone. Specjalną grupę stanowią silniki parowe jednoprzelotowe, w których wypuszczanie pary z wnęki cylindra odbywa się za pomocą krawędzi tłoka.
silnik parowy
Jest to silnik napędzany parą. Para wytwarzana przez podgrzewanie wody jest wykorzystywana do napędu. W niektórych silnikach para wymusza ruch tłoków w cylindrach. To. tworzony jest ruch posuwisto-zwrotny. Połączony mechanizm zwykle zamienia go w ruch obrotowy. Lokomotywy parowe (lokomotywy) wykorzystują silniki tłokowe. Turbiny parowe są również używane jako silniki, które dają bezpośredni ruch obrotowy poprzez obracanie szeregu kół z łopatkami. Turbiny parowe napędzają generatory prądu i śruby okrętowe. W każdym silniku parowym ciepło wytwarzane przez podgrzewanie wody w kotle parowym (kotle) jest zamieniane na energię ruchu. Ciepło może być dostarczane ze spalania paliwa w piecu lub z reaktora jądrowego.
Silniki parowe, takie jak te stosowane dawniej w lokomotywach, działają na parze wytwarzanej przez podgrzewanie wody. Palenisko na węgiel lub drewno (1) ogrzewa kocioł wypełniony wodą (2), która wytwarza parę. Para unosi się i jest przepychana przez parowiec (3) przez rury do cylindra (4), gdzie powoduje cofanie się tłoka (5). Z tłokiem połączona jest dźwignia (6), która jest zaworem suwakowym (7), który najpierw umożliwia wejście pary do cylindra (jak pokazano) przez zamknięcie portu wylotowego (8). Wytwarza to ciśnienie, które popycha tłok do przodu i powoduje, że zawór suwakowy znajduje się w położeniu, w którym otwiera się otwór wylotowy i uchodzi para. Ruch kół powoduje, że tłok cofa się i wszystko zaczyna się od nowa.
Wynalezienie silników parowych było punktem zwrotnym w historii ludzkości. Gdzieś na przełomie XVII i XVIII wieku zaczęto wymieniać nieefektywną pracę ręczną, koła wodne oraz zupełnie nowe i unikalne mechanizmy - parowozy. To dzięki nim możliwa stała się rewolucja techniczna i przemysłowa, a właściwie cały postęp ludzkości.
Ale kto wynalazł silnik parowy? Komu ludzkość to zawdzięcza? A kiedy to było? Postaramy się znaleźć odpowiedzi na wszystkie te pytania.
Jeszcze przed naszą erą
Historia powstania silnika parowego zaczyna się w pierwszych wiekach Heron z Aleksandrii opisał mechanizm, który zaczął działać dopiero wtedy, gdy działała na niego para. Urządzenie było kulą, na której zamocowano dysze. Para wydobywała się stycznie z dysz, powodując w ten sposób obrót silnika. Było to pierwsze urządzenie, które działało na parze.
Twórcą silnika parowego (a raczej turbiny) jest Tagi al-Dinome (arabski filozof, inżynier i astronom). Jego wynalazek stał się szeroko znany w Egipcie w XVI wieku. Mechanizm ułożono w następujący sposób: strumienie pary kierowane były bezpośrednio do mechanizmu z łopatkami, a gdy dym opadał, łopatki obracały się. Coś podobnego zaproponował w 1629 roku włoski inżynier Giovanni Branca. Główną wadą wszystkich tych wynalazków było zbyt duże zużycie pary, co z kolei wymagało ogromnej ilości energii i było niewskazane. Rozwój został wstrzymany, gdyż ówczesna naukowa i techniczna wiedza ludzkości nie wystarczała. Ponadto potrzeba takich wynalazków była całkowicie nieobecna.
Rozwój
Do XVII wieku stworzenie maszyny parowej było niemożliwe. Ale gdy tylko podniosła się poprzeczka dla poziomu rozwoju człowieka, natychmiast pojawiły się pierwsze kopie i wynalazki. Chociaż nikt wtedy nie traktował ich poważnie. Na przykład w 1663 r. angielski naukowiec opublikował w prasie projekt swojego wynalazku, który zainstalował w zamku Raglan. Jego urządzenie służyło do podnoszenia wody na ścianach wież. Jednak jak wszystko nowe i nieznane, ten projekt został przyjęty z wątpliwościami i nie było sponsorów na jego dalszy rozwój.
Historia powstania silnika parowego zaczyna się od wynalezienia silnika parowego. W 1681 roku naukowiec z Francji wynalazł urządzenie do wypompowywania wody z kopalń. Początkowo jako siłę napędową użyto prochu, a następnie zastąpiono go parą wodną. Tak narodził się silnik parowy. Ogromny wkład w jego ulepszenie wnieśli naukowcy z Anglii Thomas Newcomen i Thomas Severen. Nieocenioną pomoc udzielił również rosyjski wynalazca samouk Iwan Polzunow.
Nieudana próba Papina
Maszyna parowo-atmosferyczna, która w tamtych czasach była daleka od doskonałości, przyciągnęła szczególną uwagę w dziedzinie przemysłu stoczniowego. Ostatnie oszczędności D. Papin wydał na zakup małego statku, na którym przystąpił do instalacji parowo-atmosferycznej maszyny do podnoszenia wody własnej produkcji. Mechanizm działania polegał na tym, że spadając z wysokości, woda zaczęła obracać koła.
Wynalazca przeprowadził swoje próby w 1707 roku na rzece Fulda. Wiele osób zebrało się, aby spojrzeć na cud: statek płynący po rzece bez żagli i wioseł. Jednak podczas testów doszło do katastrofy: wybuchł silnik i zginęło kilka osób. Władze rozzłościły się na nieszczęsnego wynalazcę i zabroniły mu wszelkich prac i projektów. Statek został skonfiskowany i zniszczony, a sam Papen zmarł kilka lat później.
Błąd
Parowiec Papin miał następującą zasadę działania. Na dno cylindra trzeba było wlać niewielką ilość wody. Pod samym cylindrem znajdował się kocioł, który służył do podgrzewania cieczy. Kiedy woda zaczęła się gotować, powstała para, rozszerzając się, podniosła tłok. Powietrze zostało wyrzucone z przestrzeni nad tłokiem przez specjalnie wyposażony zawór. Gdy woda się zagotowała i para zaczęła opadać, trzeba było wyjąć kociołek, zamknąć zawór, aby usunąć powietrze i schłodzić ściany cylindra zimną wodą. Dzięki takim działaniom para w cylindrze skondensowała się, pod tłokiem utworzyła się próżnia, a dzięki sile ciśnienia atmosferycznego tłok powrócił na swoje pierwotne miejsce. Podczas ruchu w dół wykonano pożyteczną pracę. Jednak sprawność silnika parowego Papena była ujemna. Silnik parowca był wyjątkowo nieekonomiczny. A co najważniejsze, był zbyt skomplikowany i niewygodny w użyciu. Dlatego wynalazek Papena od samego początku nie miał przyszłości.
Obserwujący
Jednak historia powstania maszyny parowej na tym się nie skończyła. Następnym, już znacznie bardziej udanym niż Papen, był angielski naukowiec Thomas Newcomen. Przez długi czas studiował twórczość swoich poprzedników, skupiając się na słabościach. I czerpiąc z ich pracy to, co najlepsze, w 1712 r. stworzył własną aparaturę. Nowy silnik parowy (na zdjęciu) został zaprojektowany w następujący sposób: zastosowano cylinder, który znajdował się w pozycji pionowej, a także tłok. Ten Nowicjusz zaczerpnął z dzieł Papina. Jednak para utworzyła się już w innym kotle. Całą powłokę mocowano wokół tłoka, co znacznie zwiększyło szczelność wewnątrz cylindra parowego. Maszyna ta była również parowo-atmosferyczna (woda wydobywała się z kopalni pod ciśnieniem atmosferycznym). Głównymi wadami wynalazku były jego masywność i nieefektywność: maszyna „zjadła” duża ilość węgiel. Przyniosło to jednak znacznie więcej korzyści niż wynalezienie Papina. Dlatego od prawie pięćdziesięciu lat jest używany w lochach i kopalniach. Służył do wypompowywania wód gruntowych, a także do osuszania statków. Thomas Newcomen próbował przekształcić swój samochód tak, aby mógł być używany do ruchu. Jednak wszystkie jego próby zakończyły się niepowodzeniem.
Kolejnym naukowcem, który się zadeklarował, był D. Hull z Anglii. W 1736 roku zaprezentował światu swój wynalazek: maszynę parowo-atmosferyczną, której napędem były koła łopatkowe. Jego rozwój był bardziej udany niż Papin. Natychmiast zwolniono kilka takich statków. Były używane głównie do holowania barek, statków i innych jednostek pływających. Jednak niezawodność maszyny parowo-atmosferycznej nie budziła zaufania, a statki były wyposażone w żagle jako główny napęd.
I chociaż Hull miał więcej szczęścia niż Papen, jego wynalazki stopniowo traciły na znaczeniu i zostały porzucone. Jednak ówczesne maszyny parowo-atmosferyczne miały wiele konkretnych niedociągnięć.
Historia powstania silnika parowego w Rosji
Nadszedł kolejny przełom Imperium Rosyjskie. W 1766 r. w zakładzie metalurgicznym w Barnauł powstał pierwszy silnik parowy, który dostarczał powietrze do pieców do topienia za pomocą specjalnych mieszków dmuchaw. Jego twórcą był Iwan Iwanowicz Polzunow, któremu za zasługi dla ojczyzny nadano nawet stopień oficerski. Wynalazca przedstawił swoim przełożonym rysunki i plany „ognistej maszyny” zdolnej do zasilania miecha.
Jednak los zagrał okrutny żart z Polzunovem: siedem lat po zaakceptowaniu jego projektu i złożeniu samochodu zachorował i zmarł z powodu zużycia - zaledwie tydzień przed rozpoczęciem testów jego silnika. Jednak jego instrukcje wystarczyły do uruchomienia silnika.
Tak więc 7 sierpnia 1766 r. Lokomotywa parowa Polzunowa została uruchomiona i obciążona. Jednak w listopadzie tego samego roku zepsuł się. Powodem okazały się zbyt cienkie ścianki kotła, nieprzeznaczone do załadunku. Co więcej, wynalazca napisał w swoich instrukcjach, że ten kocioł może być używany tylko podczas testów. Wyprodukowanie nowego kotła łatwo by się opłaciło, bo sprawność silnika parowego Polzunowa była dodatnia. Przez 1023 godziny pracy z jego pomocą wytopiono ponad 14 funtów srebra!
Ale mimo to nikt nie zaczął naprawiać mechanizmu. Parowóz Polzunowa przez ponad 15 lat kurzył się w magazynie, podczas gdy świat przemysłu nie stał w miejscu i rozwijał się. A potem został całkowicie rozebrany na części. Najwyraźniej w tym momencie Rosja nie dorosła jeszcze do maszyn parowych.
Wymagania czasu
Tymczasem życie nie stanęło w miejscu. A ludzkość nieustannie myślała o stworzeniu mechanizmu, który pozwoli nie polegać na kapryśnej naturze, ale kontrolować sam los. Wszyscy chcieli jak najszybciej porzucić żagiel. Dlatego kwestia stworzenia mechanizmu parowego stale wisiała w powietrzu. W 1753 r. w Paryżu ogłoszono konkurs rzemieślników, naukowców i wynalazców. Akademia Nauk ogłosiła nagrodę dla tych, którzy potrafią stworzyć mechanizm, który zastąpi siłę wiatru. Ale pomimo tego, że w konkursie brały udział takie umysły jak L. Euler, D. Bernoulli, Canton de Lacroix i inni, nikt nie złożył sensownej propozycji.
Mijały lata. I obejmował coraz więcej krajów. Wyższość i przywództwo wśród innych mocarstw niezmiennie szło do Anglii. Pod koniec XVIII wieku to właśnie Wielka Brytania stała się twórcą wielkiego przemysłu, dzięki czemu zdobyła tytuł światowego monopolisty w tej branży. Kwestia silnika mechanicznego z każdym dniem stawała się coraz bardziej aktualna. I taki silnik powstał.
Pierwszy silnik parowy na świecie
Rok 1784 był dla Anglii i całego świata punktem zwrotnym rewolucji przemysłowej. A osobą odpowiedzialną za to był angielski mechanik James Watt. Stworzony przez niego silnik parowy był największym odkryciem stulecia.
Przez kilka lat studiował rysunki, budowę i zasady działania maszyn parowo-atmosferycznych. I na podstawie tego wszystkiego doszedł do wniosku, że dla sprawności silnika konieczne jest wyrównanie temperatur wody w cylindrze i pary, która dostaje się do mechanizmu. Główną wadą maszyn parowo-atmosferycznych była ciągła potrzeba chłodzenia cylindra wodą. To było kosztowne i niewygodne.
Nowy silnik parowy został zaprojektowany inaczej. Tak więc cylinder był zamknięty w specjalnym płaszczu parowym. W ten sposób Watt osiągnął swój stały stan gorąca. Wynalazca stworzył specjalne naczynie zanurzone w zimnej wodzie (skraplacz). Do niego przymocowano cylinder za pomocą rury. Kiedy para została wyczerpana w cylindrze, weszła do skraplacza przez rurę i tam zamieniła się z powrotem w wodę. Pracując nad ulepszeniem swojej maszyny, Watt stworzył próżnię w skraplaczu. W ten sposób skondensowała się w nim cała para pochodząca z cylindra. Dzięki tej innowacji znacznie przyspieszono proces rozprężania pary, co z kolei umożliwiło wydobycie znacznie większej ilości energii z tej samej ilości pary. To był szczyt sukcesu.
Twórca silnika parowego zmienił również zasadę dopływu powietrza. Teraz para najpierw wpadła pod tłok, podnosząc go, a następnie zbierała się nad tłokiem, opuszczając go. W ten sposób zaczęły działać oba skoki tłoka w mechanizmie, co wcześniej nie było nawet możliwe. A zużycie węgla na moc koni mechanicznych było czterokrotnie mniejsze niż odpowiednio w przypadku maszyn parowo-atmosferycznych, co starał się osiągnąć James Watt. Lokomotywa parowa bardzo szybko podbiła najpierw Wielką Brytanię, a potem cały świat.
„Charlotte Dundas”
Po tym, jak cały świat był zdumiony wynalazkiem Jamesa Watta, rozpoczęło się powszechne stosowanie silników parowych. Tak więc w 1802 r. W Anglii pojawił się pierwszy statek dla pary - łódź Charlotte Dundas. Jej twórcą jest William Symington. Łódź służyła do holowania barek wzdłuż kanału. Rolę manipulatora na statku pełniło koło łopatkowe zamontowane na rufie. Łódź za pierwszym razem pomyślnie przeszła testy: holowała dwie ogromne barki 18 mil w sześć godzin. Jednocześnie bardzo przeszkadzał mu wiatr. Ale udało mu się.
A jednak wstrzymali się, bo obawiali się, że z powodu silnych fal, które powstały pod kołem wiosłowym, brzegi kanału zostaną rozmyte. Nawiasem mówiąc, w teście „Charlotte” wziął udział człowiek, którego cały świat dziś uważa za twórcę pierwszego parowca.
Pierwszy parowiec na świecie
angielski stoczniowiec młodzieńcze lata marzył o statku z silnikiem parowym. A teraz jego marzenie się spełniło. W końcu wynalazek silników parowych był nowym impulsem w przemyśle stoczniowym. Wraz z posłem z Ameryki R. Livingstonem, który przejął rzeczową stronę sprawy, Fulton podjął się projektu statku z silnikiem parowym. Był to złożony wynalazek oparty na pomyśle wiosła. Wzdłuż boków statku ciągnęły się w rzędzie płyty imitujące wiele wioseł. W tym samym czasie płyty od czasu do czasu przeszkadzały sobie nawzajem i pękały. Dziś możemy śmiało powiedzieć, że ten sam efekt można było osiągnąć przy pomocy zaledwie trzech lub czterech płytek. Ale z punktu widzenia ówczesnej nauki i technologii było to nierealne. Dlatego stoczniowcy mieli znacznie trudniejsze czasy.
W 1803 roku wynalazek Fultona został przedstawiony światu. Parowiec poruszał się powoli i równomiernie wzdłuż Sekwany, uderzając w umysły i wyobraźnię wielu naukowców i osobistości w Paryżu. Jednak rząd napoleoński odrzucił projekt, a niezadowoleni stoczniowcy zostali zmuszeni do szukania szczęścia w Ameryce.
A w sierpniu 1807 r. Po Zatoce Hudsona przepłynął pierwszy na świecie parowiec o nazwie Claremont, w którym brał udział najpotężniejszy silnik parowy (przedstawiono zdjęcie). Wielu wtedy po prostu nie wierzyło w sukces.
„Claremont” wyruszył w swój dziewiczy rejs bez ładunku i bez pasażerów. Nikt nie chciał podróżować na pokładzie ziejącego ogniem statku. Ale już w drodze powrotnej pojawił się pierwszy pasażer – miejscowy rolnik, który za bilet zapłacił sześć dolarów. Został pierwszym pasażerem w historii firmy żeglugowej. Fulton był tak poruszony, że dał śmiałkowi na całe życie darmową jazdę na wszystkich swoich wynalazkach.
Nagromadzenie nowej wiedzy praktycznej w XVI-XVII wieku doprowadziło do niesłychanego przypływu myśli ludzkiej. Koła wodne i wiatrowe obracają obrabiarki, wprawiają w ruch miechy, pomagają metalurgom podnosić rudę z kopalń, czyli tam, gdzie ludzkie ręce nie radzą sobie z ciężką pracą, z pomocą przychodzi im energia wody i wiatru. Główne osiągnięcia technologiczne tamtych czasów były zasługą nie tyle naukowców i nauki, co żmudnej pracy wykwalifikowanych wynalazców. Szczególnie duże były osiągnięcia w technice górniczej, w wydobyciu różnych rud i minerałów. Konieczne było podnoszenie wydobywanej rudy lub węgla z kopalni, wypompowywanie wód gruntowych, które cały czas zalewały kopalnię, ciągłe dostarczanie powietrza do kopalni oraz wiele różnorodnych pracochłonnych prac, aby wydobycie nie przestanie. Rozwijający się przemysł władczo domagał się więc coraz więcej energii, a w tamtych czasach mogły ją dostarczać głównie koła wodne. Nauczyli się już budować wystarczająco potężnie. W związku ze wzrostem mocy kół coraz częściej stosuje się metal na wały i niektóre inne części. We Francji nad Sekwaną w 1682 r. mistrz R. Salem pod przewodnictwem A. de Ville zbudował największą w tym czasie instalację, składającą się z 13 kół o średnicy 8 m, która służyła do napędzania ponad 200 pompy dostarczające wodę na wysokość ponad 160 m oraz dostarczające wodę do fontann w Wersalu i Marly. Pierwsze przędzalnie bawełny wykorzystywały silnik hydrauliczny. Maszyny przędzalnicze Arkwright od początku były zasilane wodą. Jednak koła wodne można było montować tylko na rzece, najlepiej płynnej i szybkiej. A jeśli nad brzegami rzeki można było jeszcze wybudować fabrykę włókienniczą lub metalurgiczną, to złoża rudy lub pokłady węgla należało zagospodarować tylko w miejscach występowania. A do wypompowania wód gruntowych, które zalały kopalnię i wyniesienia wydobytej rudy lub węgla na powierzchnię, potrzebna była również energia. Dlatego w kopalniach oddalonych od rzek konieczne było wykorzystanie wyłącznie siły zwierząt.
Właściciel angielskiej kopalni w 1702 r. musiał utrzymywać 500 koni do obsługi pomp wypompowujących wodę z kopalni, co było bardzo nieopłacalne.
Rozwijający się przemysł potrzebował potężnych nowych typów silników, które umożliwiłyby tworzenie produkcji w dowolnym miejscu. Pierwszym impulsem do stworzenia nowych silników, które mogą pracować wszędzie, bez względu na to, czy w pobliżu jest rzeka, czy nie, była właśnie potrzeba pomp i wind w hutnictwie i górnictwie.
Zdolność pary do wytwarzania pracy mechanicznej jest znana człowiekowi od dawna. Pierwsze ślady faktycznego inteligentnego wykorzystania pary w mechanice pojawiły się w 1545 roku w Hiszpanii, kiedy kapitan marynarki wojennej
Blasco de Garay zaprojektował maszynę, za pomocą której wprawił w ruch boczne koła łopatkowe statku, i która, na polecenie Karola V, została po raz pierwszy przetestowana w porcie w Barcelonie podczas transportu 4000 kwintali ładunku statkiem trzy mile morskie na dwa godziny. Wynalazca został nagrodzony, ale sama maszyna została bezużyteczna i skazana na zapomnienie.
W koniec XVII wieku w krajach o najbardziej rozwiniętej produkcji wytwórczej powstają elementy nowej technologii maszynowej wykorzystującej właściwości i moc pary wodnej.
Wczesne próby stworzenia silnika cieplnego wiązały się z koniecznością pompowania wody z kopalń, w których wydobywano paliwo. W 1698 r. Anglik Thomas Savery, były górnik, a następnie kapitan marynarki handlowej, jako pierwszy zaproponował pompowanie wody za pomocą windy parowej. Patent otrzymany przez Savery brzmiał: „Ten nowy wynalazek podnoszenia wody i uzyskiwania napędu do wszelkiego rodzaju produkcji za pomocą siły napędowej ognia ma wielkie znaczenie dla osuszania kopalń, zaopatrzenia w wodę miast i wytwarzania siły napędowej dla fabryk wszelkiego rodzaju które nie mogą wykorzystywać siły wody ani ciągłej pracy wiatru”. Winda wodna Severi działała na zasadzie zasysania wody kosztem ciśnienia atmosferycznego do komory, gdzie powstało rozrzedzenie, gdy para skondensowała się z zimną wodą. Silniki parowe Severiego były wyjątkowo nieekonomiczne i niewygodne w eksploatacji, nie nadawały się do napędu obrabiarek, zużywały ogromne ilości paliwa, ich sprawność nie przekraczała 0,3%. Jednak zapotrzebowanie na pompowanie wody z kopalń było tak duże, że nawet te masywne parowozy pompowe zyskały pewną popularność.
Thomas Newcomen (1663-1729) - angielski wynalazca, z zawodu kowal. Wraz z druciarzem J. Cowleyem zbudował pompę parową, eksperymenty mające na celu poprawę trwały około 10 lat, aż zaczął działać prawidłowo. Lokomotywa parowa Newcomena nie była silnikiem uniwersalnym. Zaletą Newcomena jest to, że jako jeden z pierwszych zrealizował pomysł wykorzystania pary do uzyskania pracy mechanicznej. Jego imię nosi Towarzystwo Brytyjskich Technologów. W 1711 Newcomen, Cowley i Savery utworzyli „Spółkę właścicieli praw do wynalezienia aparatury do podnoszenia wody za pomocą ognia”. Dopóki wynalazcy ci byli posiadaczami patentów na „wykorzystywanie siły ognia”, cała ich praca przy produkcji silników parowych była wykonywana w ścisłej tajemnicy. Szwed Triwald, który był zaangażowany w tworzenie maszyn Newcomena, napisał: „… wynalazcy Newcomen i Cowley byli bardzo podejrzliwi i ostrożni, aby zachować tajemnicę budowania i używania swojego wynalazku dla siebie i swoich dzieci. Hiszpański wysłannik na dwór angielski, który przybył z Londynu z dużą świtą obcokrajowców, aby obejrzeć nowy wynalazek, nie został nawet wpuszczony do pomieszczenia, w którym znajdowały się maszyny. Ale w latach 20. XVIII wieku patent wygasł i wielu inżynierów podjęło się produkcji instalacji do podnoszenia wody. Pojawiła się literatura opisująca te ustawienia.
Proces dystrybucji uniwersalnych parowozów w Anglii do początek XIX w. potwierdza ogromne znaczenie nowego wynalazku. Jeśli przez dekadę od 1775 do 1785. Zbudowano 66 maszyn dwustronnego działania o łącznej mocy 1288 KM, następnie od 1785 do 1795 roku. Powstały już 144 maszyny dwustronnego działania o łącznej mocy 2009 KM, a w ciągu następnych pięciu lat - od 1795 do 1800. - 79 aut o łącznej mocy 1296 KM
W rzeczywistości zastosowanie silnika parowego w przemyśle rozpoczęło się w 1710 r., kiedy angielscy robotnicy Newcomen i Cowley po raz pierwszy zbudowali silnik parowy, który napędzał pompę zainstalowaną w kopalni, aby wypompować z niej wodę.
Jednak maszyna Newcomena nie była maszyną parową we współczesnym znaczeniu tego słowa, ponieważ siłą napędową w niej nadal nie była para wodna, ale ciśnienie atmosferyczne. Dlatego ta maszyna została nazwana „atmosferyczną”. Choć w maszynie para wodna służyła, podobnie jak w maszynie Severiego, głównie do wytworzenia podciśnienia w cylindrze, tu już zaproponowano ruchomy tłok – główną część nowoczesnego silnika parowego.
Na ryc. Rysunek 4.1 przedstawia windę parową Newcomen-Cowley. Podczas opuszczania przyssawki 1 i obciążenia 2 tłok 4 uniósł się i para weszła do cylindra 5 przez otwarty kran 7 z kotła 8, którego ciśnienie było nieco wyższe niż atmosferyczne. Para służyła do częściowego podniesienia tłoka w cylindrze, otwartego od góry, ale jej głównym zadaniem było wytworzenie w nim próżni. W tym celu, gdy tłok maszyny osiągnął górne położenie, zawór 7 został zamknięty, a zimna woda została wtryśnięta ze zbiornika 3 przez zawór 6 do cylindra. Para wodna szybko się skondensowała, a ciśnienie atmosferyczne przywróciło tłok na dno cylindra, podnosząc pręt przyssawki. Kondensat został odprowadzony z cylindra rurą9, tłok został ponownie podniesiony w wyniku doprowadzenia pary i powtórzono proces opisany powyżej. Maszyna Newcomena to silnik wsadowy.
Silnik parowy Newcomena był doskonalszy niż Savery, łatwiejszy w obsłudze, bardziej ekonomiczny i wydajny. Jednak maszyny z pierwszych wydań działały bardzo nieekonomicznie, aby wytworzyć moc jednej mocy na godzinę, spalono do 25 kg węgla, czyli sprawność wynosiła około 0,5%. Wprowadzenie automatycznego rozdziału strumieni pary i wody uprościło konserwację maszyny, czas skoku tłoka skrócił się do 12-16 minut, co zmniejszyło gabaryty maszyny i uczyniło konstrukcję tańszą. Pomimo dużego zużycia paliwa, tego typu maszyny szybko się rozpowszechniły. Już w latach dwudziestych XVIII wieku maszyny te pracowały nie tylko w Anglii, ale także w wielu krajach Europy - w Austrii, Belgii, Francji, na Węgrzech, w Szwecji, były używane przez prawie wiek w przemyśle węglowym i do zaopatrzenia w wodę do miast. W Rosji pierwsza maszyna parowo-atmosferyczna Newcomen została zainstalowana w 1772 roku w Kronsztadzie do pompowania wody z doku. O rozpowszechnieniu maszyn Newcomen świadczy fakt, że ostatnia maszyna tego typu w Anglii została zdemontowana dopiero w 1934 roku.
Iwan Iwanowicz Polzunow (1728-1766) to utalentowany rosyjski wynalazca urodzony w rodzinie żołnierza. W 1742 r. mechanik jekaterynburskiej fabryki Nikita Bakharev potrzebował bystrych uczniów. Wybór padł na czternastolatków I. Polzunova i S. Cheremisinova, którzy jeszcze uczyli się w Szkole Arytmetycznej. Szkolenie teoretyczne w szkole ustąpiło miejsca praktycznej znajomości pracy najnowocześniejszych maszyn i instalacji fabryki Jekaterynburga w Rosji w tym czasie. W 1748 Polzunov został przeniesiony do Barnauł do pracy w fabrykach Kolyvano-Voskresensky. Później samokształcenie książki o metalurgii i mineralogii w kwietniu 1763 r. Polzunow zaproponował projekt całkowicie oryginalnej maszyny parowej, która różniła się od wszystkich znanych wówczas maszyn tym, że była przeznaczona do napędzania mieszków dmuchaw i była jednostką ciągłą. W swoim memorandum dotyczącym „maszyny ogniowej” z dnia 26 kwietnia 1763 r. Polzunow, własnymi słowami, chciał „ ... przez dodanie ognistej maszyny zaprzestać gospodarki wodnej i w takich przypadkach całkowicie ją zniszczyć, a zamiast tamy na ruchomy fundament zakładu założyć ją tak, aby była w stanie udźwignąć wszystkie nałożone na siebie ciężary, które zwykle są niezbędne do podsycenia ognia, nosić i do woli, co będzie konieczne, poprawić. A potem pisał: „Aby osiągnąć tę chwałę (jeśli siły na to pozwolą) Ojczyźnie, a także dla dobra całego ludu, ze względu na wielką wiedzę o używaniu rzeczy, które jeszcze nie są zbyt dobrze znane ( wzorem innych nauk), wprowadzić do obyczaju. W przyszłości wynalazca marzył o przystosowaniu maszyny do innych potrzeb. Projekt I.I. Polzunow został wprowadzony do królewskiego urzędu w Petersburgu. Decyzja Katarzyny II była następująca: „Jej Cesarska Mość jest nie tylko Polzunowem, z którego miłosiernie się cieszy, ale za największą zachętę, jaką raczyła dowodzić: witaj Evo, Polzunow, do mechaników z rangą i pensją kapitana porucznika i daj mu 400 rubli w nagrodę” .
Maszyny Newcomena, które doskonale sprawdzały się jako urządzenia do podnoszenia wody, nie były w stanie zaspokoić pilnej potrzeby uniwersalnego silnika. Utorowały one jedynie drogę do stworzenia uniwersalnych, ciągłych silników parowych.
Na początkowym etapie rozwoju silników parowych konieczne jest wyróżnienie „ognistej maszyny” rosyjskiego mistrza górniczego Polzunowa. Silnik miał napędzać mechanizmy jednego z pieców hutniczych zakładu Barnauł.
Według projektu Polzunowa (rys. 4.2) para z kotła (1) była doprowadzana do jednego, powiedzmy, lewego cylindra (2), gdzie podnosiła tłok (3) do najwyższego położenia. Następnie do cylindra wtryskiwany był strumień zimnej wody (4) ze zbiornika, co prowadziło do kondensacji pary. W wyniku działania ciśnienia atmosferycznego na tłok obniżył się, natomiast w prawym cylindrze pod wpływem ciśnienia pary tłok uniósł się. Dystrybucja wody i pary w maszynie Polzunowa była realizowana przez specjalne automatyczne urządzenie (5). Ciągła siła robocza z tłoków maszyny była przenoszona na koło pasowe (6) zamontowane na wale, z którego ruch przenoszony był na rozrząd wodno-parowy, pompę podającą, a także na wał roboczy, z którego wprawiono w ruch miechy dmuchawy.
Silnik Polzunowa należał do typu „atmosferycznego”, ale wynalazca jako pierwszy wprowadził w nim sumowanie pracy dwóch cylindrów z tłokami na jednym wspólnym wale, co zapewniało bardziej równomierny skok silnika. Kiedy jeden z cylindrów był włączony Na biegu jałowym, drugi miał ruch roboczy. Silnik posiadał automatyczną dystrybucję pary i po raz pierwszy nie był bezpośrednio podłączony do pracującej maszyny. I.I. Polzunov stworzył swój samochód w ekstremalnie trudnych warunkach, własnymi rękami, bez niezbędnych środków i specjalnych maszyn. Nie miał do dyspozycji wykwalifikowanych rzemieślników: kierownictwo zakładu oddelegowało do Polzunowa czterech studentów i przydzieliło dwóch emerytowanych robotników. Siekiera i inne proste narzędzia używane do produkcji ówczesnych konwencjonalnych maszyn były tu mało przydatne. Polzunov musiał samodzielnie zaprojektować i zbudować nowy sprzęt dla swojego wynalazku. Budowa dużej maszyny o wysokości około 11 metrów, bezpośrednio z blachy, nawet nie testowanej na modelu, bez specjalistów, wymagała ogromnego wysiłku. Samochód został zbudowany, ale 27 maja 1766 r. I.I. Połzunow zmarł na przejściową konsumpcję, nie żyjąc tydzień przed testami „wielkiej maszyny”. Sama maszyna, sprawdzona przez uczniów Polzunowa, która nie tylko się zwróciła, ale i przyniosła zysk, pracowała 2 miesiące, nie doczekała się dalszego ulepszenia, a po awarii została porzucona i zapomniana. Po silniku Polzunowa minęło pół wieku, zanim silniki parowe zaczęły być używane w Rosji.
James Watt - angielski wynalazca, twórca uniwersalnego silnika parowego, członek Royal Society of London - urodził się w Greenock w Szkocji. Od 1757 r. pracował jako mechanik na Uniwersytecie w Glasgow, gdzie zapoznał się z właściwościami pary wodnej i prowadził badania nad zależnością temperatury pary nasyconej od ciśnienia. W latach 1763-1764, dostosowując model silnika parowego Newcomena, zaproponował zmniejszenie zużycia pary poprzez oddzielenie kondensatora pary od cylindra. Od tego czasu rozpoczął pracę nad ulepszaniem maszyn parowych, badaniem właściwości pary, budową nowych maszyn itp., co trwało przez całe jego życie. Na pomniku Watta w Opactwie Westminsterskim wyryto napis: „...stosując siłę twórczego geniuszu do ulepszania silnika parowego, zwiększył produktywność swojego kraju, zwiększył władzę człowieka nad naturą i zajął wybitne miejsce wśród najsłynniejszych ludzi nauki i prawdziwych dobroczyńców ludzkości”. W poszukiwaniu środków na budowę swojego silnika Watt zaczął marzyć o dochodowej pracy poza Anglią. Na początku lat 70. powiedział znajomym, że „jest zmęczony ojczyzną” i poważnie zaczął mówić o przeprowadzce do Rosji. Rosyjski rząd zaoferował angielskiemu inżynierowi „zawód zgodny z jego gustem i wiedzą” z roczną pensją w wysokości 1000 funtów szterlingów. Wyjazdowi Watta do Rosji uniemożliwił kontrakt, który zawarł w 1772 r. z kapitalistą Boltonem, właścicielem przedsiębiorstwa budowy maszyn w Soho pod Birmingham. Bolton od dawna wiedział o wynalezieniu nowej "ognistej" maszyny, ale wahał się dotować jej budowę, wątpiąc w praktyczną wartość maszyny. Pospieszył z zawarciem umowy z Wattem dopiero wtedy, gdy istniała realna groźba wyjazdu wynalazcy do Rosji. Umowa łącząca Watta z Boltonem okazała się bardzo skuteczna. Bolton okazał się inteligentnym i dalekowzrocznym człowiekiem. Nie żałował kosztów budowy maszyny. Bolton zdał sobie sprawę, że geniusz Watta, uwolniony od drobnej, wyczerpującej troski o kawałek chleba, rozwinie się z pełną mocą i wzbogaci przedsiębiorczego kapitalistę. Ponadto sam Bolton był głównym inżynierem mechanikiem. Pomysły techniczne Watta również go urzekły. Zakład w Soho słynął jak na tamte czasy z pierwszorzędnego wyposażenia i zatrudniał wykwalifikowanych pracowników. Dlatego Watt entuzjastycznie przyjął ofertę Boltona dotyczącą uruchomienia w zakładzie produkcji silników parowych nowej konstrukcji. Od początku lat 70. do końca życia Watt pozostał głównym mechanikiem zakładu. Pod koniec 1774 roku fabryka Soho zbudowała pierwszą maszynę dwustronnego działania.
Maszyna Newcomena została znacznie ulepszona przez stulecie swojego istnienia, ale pozostała „atmosferyczna” i nie spełniała potrzeb szybko rozwijającej się technologii wytwarzania produkcji, która wymagała organizacji ruch obrotowy z dużą prędkością.
Poszukiwania wielu wynalazców miały na celu osiągnięcie celu. W samej Anglii w ciągu ostatniego ćwierćwiecza XVIII wieku wydano kilkanaście patentów na uniwersalne silniki najbardziej różne systemy. Jednak tylko James Watt zdołał zaoferować przemysłowi uniwersalny silnik parowy.
Watt rozpoczął pracę nad maszyną parową prawie jednocześnie z Polzunovem, ale w innych warunkach. W Anglii w tym czasie przemysł kwitł. Watt był aktywnie wspierany przez Boltona, właściciela kilku fabryk w Anglii, który później został jego partnerem, Parliament i miał możliwość korzystania z wysoko wykwalifikowanej kadry inżynierskiej. W 1769 roku Watt opatentował silnik parowy z oddzielnym skraplaczem, a następnie zastosowanie nadciśnienia pary w silniku, co znacznie zmniejszyło zużycie paliwa. Watt słusznie był twórcą parowego silnika tłokowego.
Na ryc. 4.3 pokazano schemat jednego z pierwszych silników parowych Watta. Kocioł parowy 1 jest połączony z cylindrem tłokowym 3 rurociągiem parowym 2, przez który para jest okresowo doprowadzana do górnej wnęki powyżej tłoka 4 i do dolnej wnęki poniżej tłoka cylindra. Wnęki te są połączone ze skraplaczem rurą5, w której para odlotowa jest kondensowana z zimną wodą i powstaje próżnia. Maszyna posiada wyważarkę 6, która łączy tłok z wałem korbowym za pomocą korbowodu 7, na końcu którego zamontowane jest koło zamachowe 8.
Po raz pierwszy w maszynie zastosowano zasadę podwójnego działania pary polegającą na tym, że świeża para wprowadzana jest do cylindra maszyny naprzemiennie do komór po obu stronach tłoka. Wprowadzenie przez Watta zasady rozprężania pary polegało na tym, że świeża para była wpuszczana do cylindra tylko na część suwu tłoka, następnie para była odcinana, a dalszy ruch tłoka odbywał się na skutek rozprężania pary i opadania jego ciśnienie.
Tak więc w maszynie Watta decydującą siłą napędową nie było ciśnienie atmosferyczne, ale elastyczność pary pod wysokim ciśnieniem, która wprawia tłok w ruch. Nowa zasada działania pary wymagała całkowitej zmiany konstrukcji maszyny, zwłaszcza cylindra i dystrybucji pary. Aby wyeliminować kondensację pary w cylindrze, Watt najpierw wprowadził płaszcz parowy cylindra, za pomocą którego zaczął ogrzewać parą jego ścianki robocze i zaizolował zewnętrzną stronę płaszcza parowego. Ponieważ Watt nie mógł użyć mechanizmu korbowo-korbowego w swojej maszynie do stworzenia jednolitego ruchu obrotowego (patent ochronny na taką przekładnię wziął francuski wynalazca Picard), w 1781 roku wykupił patent na pięć sposobów konwersji ruch kołysania w ciągły ruch obrotowy. Początkowo używał w tym celu koła planetarnego, czyli słonecznego. Na koniec Watt wprowadził regulator prędkości odśrodkowej do zmiany ilości pary dostarczanej do cylindra maszyny wraz ze zmianą liczby obrotów. W ten sposób Watt w swoim silniku parowym przedstawił podstawowe zasady budowy i działania nowoczesnego silnika parowego.
Silniki parowe Watta pracowały na parze nasyconej o niskim ciśnieniu 0,2-0,3 MPa, przy małej liczbie obrotów na minutę. Zmodyfikowane w ten sposób silniki parowe dały znakomite wyniki, kilkukrotnie zmniejszając zużycie węgla na KM/h (konie mechaniczne na godzinę) w porównaniu z maszynami Newcomena oraz wypierając koło wodne z górnictwa. W połowie lat 80. XVIII wieku. Konstrukcja silnika parowego została ostatecznie opracowana, a silnik parowy dwustronnego działania stał się uniwersalnym silnikiem cieplnym, który znalazł szerokie zastosowanie w prawie wszystkich sektorach gospodarki w wielu krajach. W XIX w. rozpowszechniły się elektrownie parowe z szybami wyciągowymi, dmuchawy parowe, walcownice parowe, młoty parowe, pompy parowe itp.
Dalszy wzrost wydajności Elektrownia parowa została stworzona przez współczesnego Watta Arthura Wolfa w Anglii, wprowadzając wielokrotne rozprężanie pary kolejno w 2, 3, a nawet 4 stopniach, podczas gdy para przechodziła z jednego cylindra maszyny do drugiego.
Odrzucenie wyważarki i zastosowanie wielokrotnego rozprężania pary doprowadziło do powstania nowych konstrukcyjnych form maszyn. Silniki z podwójnym rozprężaniem zaczęły nabierać kształtu w postaci dwóch cylindrów - cylindra wysokociśnieniowego (HPC) i cylindra niskociśnieniowego (LPC), który odbierał parę spalinową po HPC. Cylindry znajdowały się albo poziomo (maszyna mieszana, ryc. 4.4, a) lub sekwencyjnie, gdy oba tłoki są osadzone na wspólnym pręcie (maszyna tandemowa, ryc. 4.4, b).
Ogromne znaczenie dla zwiększenia wydajności. silniki parowe zaczęły używać pary przegrzanej o temperaturze do 350 ° C w połowie XIX wieku, co pozwoliło zmniejszyć zużycie paliwa do 4,5 kg na KM/h. Zastosowanie pary przegrzanej po raz pierwszy zaproponował francuski naukowiec G.A. Girnom.
Urodzony w rodzinie robotniczej, George Stephenson (1781-1848) pracował w kopalniach węgla w Newcastle, gdzie pracowali również jego ojciec i dziadek. Zrobił dużo samokształcenia, studiował fizykę, mechanikę i inne nauki, interesował się działalnością wynalazczą. Wybitne zdolności Stephensona doprowadziły go do stanowiska mechanika, aw 1823 roku został mianowany głównym inżynierem firmy przy budowie pierwszej publicznej linii kolejowej Stockton-Darlington; otworzyło to przed nim wielkie możliwości projektowania i prac wynalazczych.
W Rosji pierwsze lokomotywy parowe zbudowali rosyjscy mechanicy i wynalazcy Czerepanowowie - Efim Aleksiejewicz (ojciec, 1774–1842) i Miron Efimowicz (syn, 1803–1849), którzy pracowali w fabrykach Niżny Tagil i byli byłymi poddanymi Demidowa właściciele fabryki. Czerepanowowie poprzez samokształcenie stali się ludźmi wykształconymi, odwiedzali fabryki w Petersburgu i Moskwie, Anglii i Szwecji. Za działalność wynalazczą Miron Czerepanow i jego żona otrzymali wolność w 1833 roku. Efim Cherepanov i jego żona otrzymali wolność w 1836 roku. Cherepanovowie stworzyli około 20 różnych maszyn parowych, które pracowały w fabrykach Niżny Tagil.
Wysokie ciśnienie pary w silnikach parowych zostało po raz pierwszy zastosowane przez Olivera Evansa w Ameryce. Spowodowało to dalsze zmniejszenie zużycia paliwa nawet o 3 kg na KM/h. Później projektanci lokomotyw parowych zaczęli używać wielocylindrowych silników parowych, pary nadciśnieniowej i urządzenia cofania.
W XVIII wieku. istniała całkowicie zrozumiała chęć wykorzystania maszyny parowej do transportu lądowego i wodnego. W rozwoju maszyn parowych niezależnym kierunkiem były lokomotywy - mobilne elektrownie parowe. Pierwsza tego typu instalacja została opracowana przez angielskiego budowniczego Johna Smitha. W rzeczywistości rozwój transportu pary rozpoczął się wraz z montażem płomieniówek w kotłach płomieniówkowych, co znacznie zwiększyło ich wydajność pary.
Podejmowano wiele prób opracowania parowozów - budowano parowozy, modele robocze (rys. 4.5, 4.6). Spośród nich wyróżnia się lokomotywa parowa Rocket zbudowana przez utalentowanego angielskiego wynalazcę George'a Stephensona (1781-1848) w 1825 r. (patrz ryc. 4.6, a, b).
Rocket nie była pierwszą lokomotywą parową zaprojektowaną i zbudowaną przez Stephensona, ale ta pod wieloma względami była lepsza i została wybrana najlepszą lokomotywą na specjalnej wystawie w Rayhill i polecana do nowej linii kolejowej Liverpool-Manchester, która stała się wzorem w tym czasie . W 1823 roku Stephenson zorganizował pierwszą fabrykę lokomotyw w Newcastle. W 1829 roku w Anglii zorganizowano konkurs na najlepszy parowóz, którego zwycięzcą została maszyna J. Stephensona. Jego parowóz „Rakieta”, opracowany na bazie kotła pożarowego, o masie pociągu 17 ton, rozwijał prędkość 21 km/h. Później prędkość „Rakiety” została zwiększona do 45 km/h.
Koleje zaczęły grać w XVIII wieku. ogromna rola. Pierwsza w Rosji kolej pasażerska o długości 27 km, decyzją rządu carskiego, została zbudowana przez zagranicznych przedsiębiorców w 1837 r. między Petersburgiem a Pawłowskiem. Kolej dwutorowa Petersburg-Moskwa zaczęła działać w 1851 roku.
W 1834 r. Ojciec i syn Czerepanowowie zbudowali pierwszą rosyjską lokomotywę parową (patrz ryc. 4.6, c, d), przewożącą ładunek 3,5 tony z prędkością 15 km / h. Kolejne lokomotywy parowe przewoziły ładunek o wadze 17 ton.
Próby wykorzystania lokomotywy parowej w transporcie wodnym podejmowane są od początku XVIII wieku. Wiadomo na przykład, że francuski fizyk D. Papin (1647–1714) zbudował łódź napędzaną silnikiem parowym. To prawda, Papin nie odniósł sukcesu w tej sprawie.
Problem rozwiązał amerykański wynalazca Robert Fulton (1765-1815), urodzony w Little Briton (obecnie Fulton) w Pensylwanii. Co ciekawe, pierwsze wielkie sukcesy w tworzeniu parowozów dla przemysłu, transportu kolejowego i wodnego przypadły na los utalentowanych ludzi, którzy zdobywali wiedzę poprzez samokształcenie. Fulton nie był pod tym względem wyjątkiem. Fulton, który później został inżynierem mechanikiem, pochodził z biednej rodziny i początkowo dużo się samokształcił. Fulton mieszkał w Anglii, gdzie zajmował się budową konstrukcji hydrotechnicznych i rozwiązywaniem szeregu innych problemów technicznych. Podczas pobytu we Francji (w Paryżu) zbudował okręt podwodny Nautilus i statek parowy, który testował na Sekwanie. Ale to był dopiero początek.
Prawdziwy sukces przyniósł Fulton w 1807 roku: po powrocie do Ameryki zbudował parowiec Clermont o ładowności 15 ton, napędzany silnikiem parowym o mocy 20 KM. s., który w sierpniu 1807 wykonał pierwszy lot z Nowego Jorku do Albany o długości około 280 km.
Dalszy rozwój żeglugi, zarówno rzecznej, jak i morskiej, przebiegał dość szybko. Ułatwiło to przejście z drewnianych konstrukcji okrętowych na stalowe, wzrost mocy i prędkości silników parowych, wprowadzenie śruby napędowej i szereg innych czynników.
Wraz z wynalezieniem silnika parowego człowiek nauczył się przekształcać energię skoncentrowaną w paliwie w ruch, w pracę.
Silnik parowy jest jednym z nielicznych wynalazków w historii, które radykalnie zmieniły obraz świata, zrewolucjonizowały przemysł, transport i dały impuls do nowego rozwoju wiedzy naukowej. Był uniwersalnym silnikiem przemysłu i transportu przez cały XIX wiek, ale jego możliwości nie spełniały już wymagań dla silników, które powstały w związku z budową elektrowni i stosowaniem mechanizmów szybkoobrotowych pod koniec XIX wieku.
Zamiast wolnoobrotowego silnika parowego na arenę techniczną wkracza wysokoobrotowa turbina o wyższej sprawności jako nowy silnik cieplny.
Artykuł opublikowany 19.05.2014 05:36 Ostatnio edytowany 19.05.2014 05:58W tym artykule szczegółowo opisano historię rozwoju silnika parowego. Oto najsłynniejsze rozwiązania i wynalazki z czasów 1672-1891.
Pierwsza praca.
Zacznijmy od tego, że jeszcze w XVII wieku para zaczęła być uważana za środek do napędzania, przeprowadzano z nią wszelkiego rodzaju eksperymenty i dopiero w 1643 r. Evangelista Torricelli odkrył siłę działania ciśnienia pary. Christian Huygens, 47 lat później, zaprojektował pierwszą maszynę energetyczną, napędzaną wybuchem prochu strzelniczego w cylindrze. Był to pierwszy prototyp silnika spalinowego. Na podobnej zasadzie zorganizowana jest maszyna do pobierania wody opata Otfeya. Wkrótce Denis Papin postanowił zastąpić siłę wybuchu słabszą siłą pary. W 1690 zbudował pierwszy silnik parowy, znany również jako kocioł parowy.
Składał się z tłoka, który za pomocą wrzącej wody poruszał się w cylindrze w górę i w wyniku późniejszego schłodzenia ponownie opadał - tak powstała siła. Cały proces przebiegał w ten sposób: pod cylindrem, który jednocześnie pełnił funkcję kotła, umieszczono palenisko; gdy tłok znajdował się w górnym położeniu, piec cofał się, aby ułatwić chłodzenie.
![](https://agent39.ru/wp-content/uploads/2018/kpict2e3ce.jpg)
![](https://agent39.ru/wp-content/uploads/2018/qulthumb-mum-683x514.jpg)
![](https://agent39.ru/wp-content/uploads/2018/tepicma4.jpg)
Później dwóch Anglików, Thomas Newcomen i Cowley – jeden kowal, drugi szklarz – ulepszyło system, oddzielając kocioł od cylindra i dodając zbiornik zimnej wody. System ten funkcjonował za pomocą zaworów lub kranów, jednej pary i wody, które były na przemian otwierane i zamykane. Następnie Anglik Bayton przebudował sterowanie zaworem na naprawdę taktowane.
Wykorzystanie maszyn parowych w praktyce.
Maszyna Newcomena szybko stała się znana wszędzie, aw szczególności została ulepszona przez system podwójnego działania opracowany przez Jamesa Watta w 1765 roku. Ale już Silnik parowy okazał się wystarczająco kompletny do zastosowania w pojazdach, choć ze względu na swoje rozmiary lepiej nadawał się do instalacji stacjonarnych. Watt oferował swoje wynalazki również przemysłowi; budował także maszyny dla fabryk tekstylnych.
Pierwszą maszynę parową służącą jako środek transportu wynalazł Francuz Nicolas Joseph Cugnot, inżynier i amatorski strateg wojskowy. W 1763 lub 1765 roku stworzył samochód, który mógł przewozić czterech pasażerów ze średnią prędkością 3,5 i maksymalnie 9,5 km/h. Po pierwszej próbie nastąpiła druga - pojawił się samochód do transportu broni. Został oczywiście przetestowany przez wojsko, ale ze względu na niemożność długotrwałej eksploatacji (ciągły cykl pracy nowy samochód nie przekraczał 15 minut) wynalazca nie otrzymał wsparcia od władz i finansistów. Tymczasem w Anglii udoskonalano maszynę parową. Po kilku nieudanych próbach Moore'a, Williama Murdocha i Williama Symingtona na bazie Watta pojawił się pojazd szynowy Richarda Travisicka, zamówiony przez Welsh Colliery. Aktywny wynalazca przyszedł na świat: z podziemnych kopalń wspiął się na ziemię i w 1802 roku przedstawił ludzkości potężny samochód osobowy, który osiągał prędkość 15 km / h na płaskim terenie i 6 km / h na wzniesieniu.
![](https://agent39.ru/wp-content/uploads/2018/c21-L2hvbWUvdXNlcnMvdi92bGFkb254cC9kb21haW5zL.jpg)
![](https://agent39.ru/wp-content/uploads/2018/fd3fd3-L2hvbWUvdXNlcnMvdi92bGFkb254cC9kb21haW.jpg)
![](https://agent39.ru/wp-content/uploads/2018/6lpostd6fe36.jpg)
Pojazdy napędzane promem były również coraz częściej używane w Stanach Zjednoczonych: Nathan Reed w 1790 roku zaskoczył mieszkańców Filadelfii swoim model samochodu parowego. Jednak jeszcze większą sławę zyskał jego rodak Oliver Evans, który czternaście lat później wynalazł pojazd-amfibia. Po wojnach napoleońskich, podczas których nie przeprowadzano „eksperymentów samochodowych”, prace rozpoczęły się ponownie wynalezienie i udoskonalenie silnika parowego. W 1821 roku można go było uznać za doskonały i całkiem niezawodny. Od tego czasu każdy krok naprzód w dziedzinie pojazdów napędzanych parą zdecydowanie przyczynił się do rozwoju pojazdów przyszłości.
W 1825 r. Sir Goldsworth Gurney na 171 km odcinku z Londynu do Bath zorganizował pierwszą linię pasażerską. Jednocześnie korzystał z opatentowanego przez siebie powozu, który posiadał silnik parowy. Był to początek ery szybkich powozów drogowych, które jednak zniknęły w Anglii, ale rozpowszechniły się we Włoszech i Francji. Takie pojazdy osiągnęły swój najwyższy rozwój wraz z pojawieniem się w 1873 roku „Curts” Amede Balle o wadze 4500 kg oraz „Mansel” – bardziej zwartej, ważącej nieco ponad 2500 kg i osiągającej prędkość 35 km/h. Obaj byli prekursorami techniki, która stała się charakterystyczna dla pierwszych „prawdziwych” samochodów. Pomimo dużej prędkości sprawność silnika parowego był bardzo mały. Bolle był tym, który opatentował pierwszy sprawnie działający układ kierowniczy, ułożył elementy sterujące i sterowanie tak dobrze, że do dziś widzimy to na desce rozdzielczej.
![](https://agent39.ru/wp-content/uploads/2018/3373843.jpg)
![](https://agent39.ru/wp-content/uploads/2018/04e9199508dbe61f704df2cfb3a3.jpg)
Mimo ogromnego postępu w dziedzinie silników spalinowych, siła parowa nadal zapewniała bardziej równomierną i płynną pracę maszyny i dlatego miała wielu zwolenników. Podobnie jak Bollet, który zbudował inne lekkie samochody, takie jak Rapide w 1881 r. z prędkością 60 km/h, Nouvelle w 1873 r., który miał przednią oś z niezależnym zawieszeniem kół, Leon Chevrolet wypuścił kilka samochodów w latach 1887-1907. lekki i kompaktowy generator pary, który opatentował w 1889 roku. Firma De Dion-Bouton, założona w Paryżu w 1883 roku, przez pierwsze dziesięć lat swojego istnienia produkowała samochody z napędem parowym i odniosła w tym znaczący sukces - jej samochody wygrały wyścig Paryż-Rouen w 1894 roku.
![](https://agent39.ru/wp-content/uploads/2018/kpostvcf0a2.jpg)
![](https://agent39.ru/wp-content/uploads/2018/bpicq32ee.jpg)
Jednak sukces Panharda i Levassora w stosowaniu benzyny skłonił De Dion do przejścia na silniki spalinowe. Kiedy bracia Bolle przejęli firmę ojca, zrobili to samo. Następnie firma Chevrolet przebudowała swoją produkcję. Samochody parowe znikały coraz szybciej z horyzontu, choć w USA używano ich jeszcze przed 1930 rokiem. W tym momencie produkcja została wstrzymana i wynalezienie silników parowych