Паровая машина — это тепловая машина , выполняющая механическую работу , используя пар в качестве рабочего тела . Паровой двигатель использует силу, создаваемую давлением пара, для перемещения поршня вперед и назад внутри цилиндра . Эта толкающая сила может быть преобразована с помощью шатуна и кривошипа во вращательную силу для работы. Термин «паровой двигатель» обычно применяется только к только что описанным поршневым двигателям , а не к паровой турбине . Паровые двигатели — это двигатели внешнего сгорания , [1] в которых рабочее тело отделено от продуктов сгорания. Идеальный термодинамический цикл, используемый для анализа этого процесса, называется циклом Ренкина . В общем использовании термин « паровой двигатель» может относиться либо к полным паровым установкам (включая котлы и т. д.), таким как железнодорожные паровозы и переносные двигатели , либо может относиться только к поршневому или турбинному оборудованию, как в лучевом двигателе и стационарном паровом двигателе. двигатель .
Устройства с паровым приводом были известны еще в эолипиле , Шаре Эола, в первом веке нашей эры, а в 16 веке было зарегистрировано несколько других применений. В 1606 году Херонимо де Аянс-и-Бомон запатентовал свое изобретение первого водяного насоса с паровым приводом для осушения шахт. [2] Томас Савери считается изобретателем первого коммерчески используемого устройства с паровым приводом, парового насоса, который использовал давление пара, воздействующего непосредственно на воду. Первый коммерчески успешный двигатель, который мог передавать непрерывную мощность машине, был разработан в 1712 году Томасом Ньюкоменом . Джеймс Уатт внес решающее усовершенствование в 1764 году, переместив отработанный пар в отдельный сосуд для конденсации, что значительно увеличило количество работы, получаемой на единицу израсходованного топлива. К 19 веку стационарные паровые двигатели приводили в действие фабрики промышленной революции . Паровые машины заменили паруса кораблям на колесных пароходах , а на железных дорогах работали паровозы.
Паровые машины поршневого типа были доминирующим источником энергии до начала 20 века. КПД стационарного парового двигателя резко возрастал примерно до 1922 года. [3] Самый высокий КПД по циклу Ренкина 91% и комбинированный тепловой КПД 31% был продемонстрирован и опубликован в 1921 и 1928 годах. [4] Достижения в разработке электродвигателей и двигатели внутреннего сгорания привели к постепенной замене паровых двигателей в коммерческом использовании. Паровые турбины заменили поршневые двигатели в производстве электроэнергии из-за более низкой стоимости, более высокой рабочей скорости и более высокого КПД. [5] Обратите внимание, что малые паровые турбины гораздо менее эффективны, чем большие. [6]
Большие поршневые паровые двигатели с возвратно-поступательным движением поршня до сих пор производятся в Германии. [7]
Одним из зарегистрированных элементарных паровых двигателей был эолипил , описанный Героем Александрийским , греческим математиком и инженером, жившим в Римском Египте в первом веке нашей эры. [8] В последующие столетия немногие известные паровые двигатели были, как и эолипил, [9] по существу экспериментальными устройствами, используемыми изобретателями для демонстрации свойств пара.
Рудиментарное паровое турбинное устройство было описано Таки ад-Дином [10] в Османском Египте в 1551 году и Джованни Бранка [11] в Италии в 1629 году. [12] Испанский изобретатель Херонимо де Аянс-и-Бомон получил в 1606 году патенты на 50 паровых турбин. изобретения, работающие на энергии, в том числе водяной насос для осушения затопленных шахт. [13] Француз Дени Папен проделал полезную работу над паровым варочным котлом в 1679 году и впервые использовал поршень для поднятия тяжестей в 1690 году. [14]
Мало кто также знал, что сама концепция парового двигателя была изобретена в Китае за 700 лет до того, как Джеймс Уатт развил ее, добавив конденсатор, и нашел для нее современное коммерческое применение. [ нужна цитата ]
Первым коммерческим устройством с паровым приводом стал водяной насос, разработанный в 1698 году Томасом Савери . [15] Он использовал конденсирующийся пар для создания вакуума, который поднимал воду снизу, а затем использовал давление пара, чтобы поднять ее выше. Маленькие двигатели были эффективны, но более крупные модели были проблематичны. Они имели очень ограниченную высоту подъема и были склонны к взрывам котлов . Двигатель Савери использовался в шахтах, на насосных станциях и для подачи воды на водяные колеса, приводящие в движение текстильное оборудование. [16] Двигатель Савери был недорогим. Бенто де Моура Португалия представила усовершенствование конструкции Савери, «чтобы сделать ее способной работать самостоятельно», как описано Джоном Смитоном в «Философских трудах», опубликованных в 1751 году. [17] Ее продолжали производить до конца 18 века. [18] В 1820 году было известно, что по крайней мере один двигатель всё ещё работал. [19]
Первым коммерчески успешным двигателем, который мог передавать непрерывную мощность машине, был атмосферный двигатель , изобретенный Томасом Ньюкоменом около 1712 года. [b] [21] Он усовершенствовал паровой насос Савери, используя поршень, предложенный Папеном. Двигатель Ньюкомена был относительно неэффективным и в основном использовался для перекачки воды. Он работал путем создания частичного вакуума путем конденсации пара под поршнем внутри цилиндра. Его использовали для осушения горных выработок на глубинах, изначально невозможных с использованием традиционных средств, а также для обеспечения многоразовой воды для привода водяных колес на заводах, расположенных вдали от подходящей «головы». Вода, проходившая через колесо, перекачивалась в резервуар для хранения над колесом. [22] [23] В 1780 году Джеймс Пикард запатентовал использование маховика и коленчатого вала для обеспечения вращательного движения от улучшенного двигателя Ньюкомена. [24]
В 1720 году Якоб Леупольд описал двухцилиндровую паровую машину высокого давления. [25] Изобретение было опубликовано в его основной работе «Theatri Machinarum Hydraulicarum». [26] В двигателе использовались два тяжелых поршня для приведения в движение водяного насоса. Каждый поршень поднимался под давлением пара и возвращался в исходное положение под действием силы тяжести. Два поршня имели общий четырехходовой поворотный клапан , подключенный непосредственно к паровому котлу.
Следующий важный шаг произошел, когда Джеймс Уатт разработал (1763–1775) улучшенную версию двигателя Ньюкомена с отдельным конденсатором . Первые двигатели Бултона и Уатта использовали вдвое меньше угля, чем улучшенная версия двигателей Ньюкомена Джона Смитона . [27] Ранние двигатели Ньюкомена и Ватта были «атмосферными». Они приводились в действие давлением воздуха, толкающим поршень в частичный вакуум , создаваемый конденсирующимся паром, а не давлением расширяющегося пара. Цилиндры двигателя должны были быть большими, поскольку единственной полезной силой, действующей на них, было атмосферное давление . [22] [28]
Уатт развил свой двигатель дальше, модифицировав его, чтобы обеспечить вращательное движение, подходящее для привода механизмов. Это позволило разместить фабрики вдали от рек и ускорило темпы промышленной революции. [28] [22] [29]
Значение высокого давления вместе с фактическим значением выше атмосферного зависит от эпохи, в которой этот термин использовался. В начале использования термина Ван Реймсдейк [30] имел в виду пар, находящийся под достаточно высоким давлением, чтобы его можно было выпустить в атмосферу, не полагаясь на вакуум, позволяющий ему выполнять полезную работу. Юинг 1894, с. 22 утверждает, что конденсационные двигатели Уатта в то время были известны как двигатели низкого давления по сравнению с неконденсирующими двигателями высокого давления того же периода.
Патент Ватта не позволял другим создавать двигатели высокого давления и составные двигатели. Вскоре после истечения срока действия патента Уатта в 1800 году Ричард Тревитик и отдельно Оливер Эванс в 1801 году [29] [31] представили двигатели, использующие пар высокого давления; Тревитик получил патент на двигатель высокого давления в 1802 году [32] , а Эванс до этого создал несколько рабочих моделей. [33] Они были намного мощнее для данного размера цилиндра, чем предыдущие двигатели, и могли быть сделаны достаточно маленькими для транспортных средств. После этого технологические разработки и усовершенствования в технологии производства (частично вызванные использованием парового двигателя в качестве источника энергии) привели к разработке более эффективных двигателей, которые могли быть меньше, быстрее или мощнее, в зависимости от предполагаемого применения. [22]
Корнуоллский двигатель был разработан Тревитиком и другими в 1810-х годах. [34] Это был двигатель сложного цикла, в котором широко использовался пар высокого давления, а затем конденсировался пар низкого давления, что делало его относительно эффективным. Двигатель Корнуолла имел неравномерное движение и крутящий момент в течение всего цикла, что ограничивало его в основном накачкой. Корнуоллские двигатели использовались в шахтах и для водоснабжения до конца 19 века. [35]
Первые создатели стационарных паровых двигателей считали, что горизонтальные цилиндры будут подвержены чрезмерному износу. Поэтому их двигатели были расположены с вертикальной осью поршня. Со временем горизонтальное расположение стало более популярным, что позволило устанавливать компактные, но мощные двигатели в небольших помещениях.
Вершиной горизонтального двигателя стал паровой двигатель Корлисса , запатентованный в 1849 году, который представлял собой четырехклапанный противоточный двигатель с отдельными впускными и выпускными клапанами пара и автоматическим регулируемым отсечкой пара. Когда Корлиссу была вручена медаль Рамфорда , комитет заявил, что «ни одно изобретение со времен Уатта не повысило эффективность парового двигателя настолько сильно». [36] Помимо использования на 30% меньше пара, он обеспечивает более равномерную скорость благодаря регулируемому отключению пара, что делает его хорошо подходящим для производства, особенно для прядения хлопка. [22] [29]
Первые экспериментальные дорожные паровые машины были построены в конце 18 века, но только после того, как Ричард Тревитик разработал использование пара высокого давления, около 1800 года, мобильные паровые двигатели стали практическим предложением. В первой половине XIX века наблюдался большой прогресс в проектировании паровых транспортных средств, и к 1850-м годам их коммерческое производство стало возможным. Этот прогресс был остановлен законодательством, которое ограничивало или запрещало использование паровых транспортных средств на дорогах. Совершенствование автомобильных технологий продолжалось с 1860-х по 1920-е годы. Паровые транспортные средства использовались для многих целей. В 20-м веке быстрое развитие технологии двигателей внутреннего сгорания привело к упадку парового двигателя как источника движения транспортных средств на коммерческой основе, и относительно немногие из них остались в использовании после Второй мировой войны . Многие из этих автомобилей были приобретены энтузиастами для консервации, и многочисленные экземпляры существуют до сих пор. В 1960-х годах проблемы загрязнения воздуха в Калифорнии породили непродолжительный период интереса к разработке и изучению паровых транспортных средств как возможного средства снижения загрязнения. Помимо интереса со стороны энтузиастов пара, редких копий транспортных средств и экспериментальных технологий, в настоящее время паровые автомобили не производятся.
Ближе к концу XIX века составные двигатели получили широкое распространение. Составные двигатели выпускали пар в цилиндры все большего размера, чтобы вместить больший объем при пониженном давлении, что повышало эффективность. Эти этапы назывались расширениями, причем двигатели двойного и тройного расширения были обычным явлением, особенно в судоходстве, где эффективность была важна для уменьшения веса перевозимого угля. [22] Паровые двигатели оставались доминирующим источником энергии до начала 20-го века, когда достижения в конструкции паровых турбин , электродвигателей и двигателей внутреннего сгорания постепенно привели к замене поршневых паровых двигателей с использованием торгового судоходства. все больше на дизелях , а военные корабли на паровых турбинах. [22] [5]
По мере развития паровых двигателей в XVIII веке предпринимались различные попытки применить их на дорогах и железных дорогах. [37] В 1784 году Уильям Мердок , шотландский изобретатель, построил модель паровоза. [38] Ранняя действующая модель паровоза была спроектирована и построена пионером пароходства Джоном Фитчем в Соединенных Штатах, вероятно, в 1780-х или 1790-х годах. [39] В его паровозе использовались колеса с внутренними лопастями [ нужны разъяснения ], направляемые по рельсам или путям.
.jpg/1280px-Union_Pacific_844,_Painted_Rocks,_NV,_2009_(crop).jpg)
Первый полномасштабный действующий железнодорожный паровоз был построен Ричардом Тревитиком в Соединенном Королевстве , а 21 февраля 1804 года состоялось первое в мире железнодорожное путешествие, когда безымянный паровоз Тревитика буксировал поезд по трамвайным путям от Пен -и-Даррена. металлургический завод, недалеко от Мертира-Тидфила до Аберсинона на юге Уэльса . [37] [40] [41] В конструкцию был включен ряд важных инноваций, в том числе использование пара под высоким давлением, что уменьшило вес двигателя и повысило его эффективность. Тревитик посетил район Ньюкасла позже, в 1804 году, и угольные железные дороги на северо-востоке Англии стали ведущим центром экспериментов и разработки паровозов. [42]
Тревитик продолжил свои собственные эксперименты с использованием трех локомотивов, завершившихся проектом « Поймай меня, кто сможет» в 1808 году. Всего четыре года спустя успешный двухцилиндровый локомотив « Саламанка » Мэтью Мюррея использовался на реечной железной дороге Миддлтон с реечными рельсами и шестерней . [43] В 1825 году Джордж Стивенсон построил локомоцию для Стоктон-Дарлингтонской железной дороги . Это была первая общественная паровая железная дорога в мире, а затем в 1829 году он построил «Ракету» , которая приняла участие и выиграла испытания в Рейнхилле . [44] Ливерпульско -Манчестерская железная дорога открылась в 1830 году, используя исключительно паровую энергию как для пассажирских, так и для грузовых поездов.
Паровозы продолжали производиться до конца двадцатого века в таких местах, как Китай и бывшая Восточная Германия (где производился DR Class 52.80 ). [45]
Последним крупным развитием конструкции парового двигателя стало использование паровых турбин , начавшееся в конце 19 века. Паровые турбины, как правило, более эффективны, чем паровые двигатели поршневого типа с возвратно-поступательным движением (с мощностью более нескольких сотен лошадиных сил), имеют меньше движущихся частей и обеспечивают вращательную мощность напрямую, а не через систему шатунов или аналогичные средства. [46] Паровые турбины практически заменили поршневые двигатели на электростанциях в начале 20-го века, где их эффективность, более высокая скорость, соответствующая работе генератора, и плавное вращение были преимуществами. Сегодня большая часть электроэнергии вырабатывается паровыми турбинами. В США 90% электроэнергии производится таким образом с использованием различных источников тепла. [5] Паровые турбины широко применялись для приведения в движение больших кораблей на протяжении большей части 20-го века.
Хотя поршневой паровой двигатель больше не широко используется в коммерческих целях, различные компании изучают или используют потенциал этого двигателя в качестве альтернативы двигателям внутреннего сгорания.
Есть два основных компонента паровой установки: котел или парогенератор и «моторный агрегат», называемый «паровым двигателем». Стационарные паровые машины в стационарных зданиях могут располагать котел и двигатель в отдельных зданиях на некотором расстоянии друг от друга. Для портативного или мобильного использования, например, в паровозах , они монтируются вместе. [47] [48]
Широко используемый поршневой двигатель обычно состоял из чугунного цилиндра, поршня, шатуна и балки или кривошипа и маховика, а также различных рычажных механизмов. Пар попеременно подавался и выпускался через один или несколько клапанов. Регулирование скорости было либо автоматическим, с помощью регулятора, либо ручным клапаном. Отливка цилиндра имела отверстия для подачи и выпуска пара.
Двигатели, оснащенные конденсатором, представляют собой отдельный тип, чем те, которые выбрасывают выхлоп в атмосферу.
Часто присутствуют и другие компоненты; насосы (например, инжекторы ) для подачи воды в котел во время работы, конденсаторы для рециркуляции воды и рекуперации скрытой теплоты испарения, пароперегреватели для повышения температуры пара выше точки насыщения, а также различные механизмы для повышения температуры пара. тяга для топок. При использовании угля для перемещения топлива из расходного бункера (бункера) в топку могут быть включены цепной или шнековый механизм подачи и его приводной двигатель или электродвигатель. [49]
Тепло, необходимое для кипячения воды и повышения температуры пара, может быть получено из различных источников, чаще всего от сжигания горючих материалов с соответствующей подачей воздуха в замкнутом пространстве (например, в камере сгорания , топке , печи). В случае моделей или игрушечных паровых двигателей , а также в некоторых полномасштабных случаях источником тепла может быть электрический нагревательный элемент .
Бойлеры представляют собой сосуды под давлением , содержащие воду для кипячения, и функции, которые максимально эффективно передают тепло воде .
Два наиболее распространенных типа:
Жаротрубные котлы были основным типом, использовавшимся на первых порах для получения пара высокого давления (типичная практика паровозов), но в конце 19 века они были в значительной степени вытеснены более экономичными водотрубными котлами для морских силовых установок и крупных стационарных установок.
Многие котлы повышают температуру пара после того, как он покинул ту часть котла, где он контактирует с водой. Известный как перегрев , он превращает « влажный пар » в « перегретый пар ». Это позволяет избежать конденсации пара в цилиндрах двигателя и обеспечивает значительно более высокий КПД . [50] [51]
В паровой машине поршень, паровая турбина или любое другое подобное устройство для совершения механической работы принимает запас пара с высоким давлением и температурой и выдает запас пара с более низким давлением и температурой, используя как можно большую часть разницы пара. энергию, необходимую для совершения механической работы.
Эти «моторные агрегаты» сами по себе часто называют «паровыми двигателями». Двигатели, использующие сжатый воздух или другие газы, отличаются от паровых машин лишь деталями, зависящими от природы газа, хотя сжатый воздух в паровых машинах использовался без изменений. [51]
Как и во всех тепловых двигателях, большая часть первичной энергии должна выделяться в виде отходящего тепла при относительно низкой температуре. [52]
Самый простой холодный поглотитель – это выпуск пара в окружающую среду. Это часто используется на паровозах , чтобы избежать увеличения веса и объема конденсаторов. Часть выделяющегося пара выбрасывается в дымоход, чтобы увеличить притяжение огня, что значительно увеличивает мощность двигателя, но снижает эффективность.
Иногда отходящее тепло двигателя само по себе полезно, и в таких случаях можно получить очень высокий общий КПД.
Паровые двигатели на стационарных электростанциях используют поверхностные конденсаторы в качестве холодного поглотителя. Конденсаторы охлаждаются потоками воды из океанов, рек, озер и часто градирнями , которые испаряют воду для отвода охлаждающей энергии. Полученный конденсат горячей воды ( конденсат ) затем снова накачивается до давления и отправляется обратно в котел. Градирня сухого типа похожа на автомобильный радиатор и используется в местах, где вода стоит дорого. Отходящее тепло также можно отводить с помощью испарительных (мокрых) градирен, в которых используется вторичный внешний водяной контур, испаряющий часть потока в воздух.
На речных лодках первоначально использовался струйный конденсатор , в котором холодная вода из реки впрыскивается в выхлопной пар двигателя. Охлаждающая вода и смесь конденсата. Хотя это также применялось к морским судам, обычно уже через несколько дней работы котел покрывался отложениями соли, что снижало производительность и увеличивало риск взрыва котла. Примерно с 1834 года использование поверхностных конденсаторов на кораблях устранило засорение котлов и повысило эффективность двигателей. [53]
Испаренную воду нельзя использовать для последующих целей (кроме дождя где-нибудь), тогда как речную воду можно использовать повторно. Во всех случаях питательная вода котла паровой установки, которую необходимо поддерживать в чистоте, хранится отдельно от охлаждающей воды или воздуха.
Большинство паровых котлов имеют средства подачи воды под давлением, что позволяет им работать непрерывно. В коммунальных и промышленных котлах обычно используются многоступенчатые центробежные насосы ; однако используются и другие типы. Другим средством подачи питательной воды котла низкого давления является инжектор , в котором используется струя пара, обычно подаваемого из котла. Инжекторы стали популярными в 1850-х годах, но больше не используются широко, за исключением таких устройств, как паровозы. [54] Именно повышение давления воды, циркулирующей через паровой котел, позволяет поднять температуру воды значительно выше 100 ° C (212 ° F) точки кипения воды при одном атмосферном давлении и тем самым повысить эффективность парового цикла.
.jpg/1280px-Steam_indicator_(Steam_and_the_Steam_Engine_-_Land_and_Marine,_1875).jpg)
По соображениям безопасности почти все паровые двигатели оснащены механизмами контроля котла, такими как манометр и смотровое стекло для контроля уровня воды.
Многие двигатели, стационарные и мобильные, также оснащены регулятором , позволяющим регулировать скорость двигателя без вмешательства человека.
Наиболее полезным инструментом для анализа работы паровых двигателей является индикатор паровой машины. Ранние версии использовались к 1851 году, [55] но наиболее успешный индикатор был разработан Чарльзом Ричардом для изобретателя и производителя высокоскоростных двигателей Чарльза Портера и выставлен на Лондонской выставке в 1862 году. [29] Индикатор парового двигателя отображает на бумаге давление в цилиндре на протяжении всего цикла, что можно использовать для выявления различных проблем и расчета развиваемой мощности. [56] Его обычно использовали инженеры, механики и страховые инспекторы. Индикатор двигателя также можно использовать на двигателях внутреннего сгорания. См. изображение индикаторной схемы ниже (в разделе «Типы двигательных единиц »).
Центробежный регулятор был принят Джеймсом Уоттом для использования в паровом двигателе в 1788 году после того, как партнер Ватта Бултон увидел его на оборудовании мельницы, которую строила компания Boulton & Watt . [57] Регулятор фактически не мог поддерживать заданную скорость, поскольку он принимал новую постоянную скорость в ответ на изменения нагрузки. Регулятор был в состоянии справиться с небольшими изменениями, например, вызванными колебаниями тепловой нагрузки на котел. Кроме того, при изменении скорости наблюдалась тенденция к колебаниям. Как следствие, двигатели, оснащенные только этим регулятором, не подходили для операций, требующих постоянной скорости, таких как хлопкопрядение. [58] Регулятор со временем был усовершенствован и в сочетании с регулируемым отключением пара, хороший контроль скорости в ответ на изменения нагрузки стал возможен ближе к концу 19 века.
В простом двигателе или «двигателе одинарного расширения» заряд пара проходит весь процесс расширения в отдельном цилиндре, хотя простой двигатель может иметь один или несколько отдельных цилиндров. [59] Затем он выбрасывается непосредственно в атмосферу или в конденсатор. Когда пар расширяется при прохождении через двигатель высокого давления, его температура падает, поскольку в систему не поступает тепло; это известно как адиабатическое расширение и приводит к тому, что пар поступает в цилиндр при высокой температуре и выходит при более низкой температуре. Это вызывает цикл нагрева и охлаждения цилиндра при каждом ходе, что является источником неэффективности. [60]
Основная потеря эффективности в поршневых паровых двигателях связана с конденсацией и повторным испарением в цилиндрах. Паровой цилиндр и прилегающие металлические детали/порты работают при температуре примерно посередине между температурой насыщения на входе пара и температурой насыщения, соответствующей давлению выхлопа. Когда пар под высоким давлением подается в рабочий цилиндр, большая часть высокотемпературного пара конденсируется в виде капель воды на металлических поверхностях, что значительно уменьшает количество пара, доступного для расширенных работ. Когда расширяющийся пар достигает низкого давления (особенно во время такта выпуска), ранее осажденные капли воды, которые только что образовались внутри цилиндра/отверстий, теперь испаряются (повторное испарение), и этот пар больше не работает в цилиндре. [ нужна цитата ]
Существуют практические ограничения на степень расширения цилиндра парового двигателя, поскольку увеличение площади поверхности цилиндра имеет тенденцию усугублять проблемы конденсации и повторного испарения в цилиндре. Это сводит на нет теоретические преимущества, связанные с высокой степенью расширения в отдельном цилиндре. [61]
Метод уменьшения величины потерь энергии в очень длинном цилиндре был изобретен в 1804 году британским инженером Артуром Вульфом , который запатентовал свой составной двигатель высокого давления Вульфа в 1805 году. В составном двигателе пар под высоким давлением из котла расширяется в в цилиндр высокого давления (ВД) , а затем поступает в один или несколько последующих цилиндров низкого давления (НД) . Полное расширение пара теперь происходит по нескольким цилиндрам, при этом общий перепад температуры внутри каждого цилиндра значительно снижается. Путем поэтапного расширения пара с меньшим температурным диапазоном (внутри каждого цилиндра) снижается проблема эффективности конденсации и повторного испарения (описанная выше). Это уменьшает величину нагрева и охлаждения цилиндров, повышая КПД двигателя. Путем поэтапного расширения в нескольких цилиндрах можно уменьшить колебания крутящего момента. [22] Чтобы получить равную работу от цилиндра более низкого давления, требуется больший объем цилиндра, поскольку этот пар занимает больший объем. Поэтому диаметр цилиндра и, в редких случаях, ход поршня в цилиндрах низкого давления увеличиваются, что приводит к увеличению размеров цилиндров. [22]
Двигатели двойного расширения (обычно называемые составными ) расширяют пар в два этапа. Пары могут быть продублированы, или работа большого цилиндра низкого давления может быть разделена так, чтобы один цилиндр высокого давления выпускал воздух в один или другой, создавая трехцилиндровую компоновку, в которой диаметр цилиндра и поршня примерно одинаковый, что делает возвратно-поступательное движение массы легче балансировать. [22]
Двухцилиндровые соединения могут быть расположены как:
У двухцилиндровых соединений, применяемых на железнодорожном транспорте, поршни соединяются с кривошипами, как и у двухцилиндровых простых, со сдвигом по фазе друг к другу на 90° ( четвертованными ). Когда группа двойного расширения дублируется, образуя четырехцилиндровый агрегат, отдельные поршни внутри группы обычно балансируются под углом 180°, а группы устанавливаются под углом 90° друг к другу. В одном случае (первый тип соединения Vauclain ) поршни работали в одной фазе, приводя в движение общую крейцкопф и кривошип, снова установленные под углом 90°, как для двухцилиндрового двигателя. При трехцилиндровой компоновке кривошипы LP либо были установлены на 90°, а кривошипы HP - на 135° по отношению к двум другим, или, в некоторых случаях, все три кривошипа устанавливались на 120°. [ нужна цитата ]
После 1880 года использование рецептуры было обычным для промышленных агрегатов, дорожных двигателей и почти универсальным для судовых двигателей; он не пользовался всеобщей популярностью в железнодорожных локомотивах, где его часто считали сложным. Частично это связано с суровыми условиями эксплуатации железных дорог и ограниченным пространством, предоставляемым габаритом погрузки (особенно в Великобритании, где компаундирование никогда не было обычным явлением и не применялось после 1930 года). Однако, хотя он никогда не был в большинстве, он был популярен во многих других странах. [62]
Это логическое расширение составного двигателя (описанного выше), позволяющее разделить расширение на еще большее количество этапов для повышения эффективности. Результатом является механизм многократного расширения . В таких двигателях используются три или четыре ступени расширения, и они известны как двигатели тройного и четверного расширения соответственно. В этих двигателях используется ряд цилиндров постепенно увеличивающегося диаметра. Эти цилиндры предназначены для разделения работы на равные доли для каждой ступени расширения. Как и в случае с двигателем двойного расширения, если пространство ограничено, для ступени низкого давления можно использовать два цилиндра меньшего размера. В двигателях многократного расширения цилиндры обычно располагались рядно, но использовались и другие конструкции. В конце 19 века балансировочная «система» Ярроу-Шлика-Твиди использовалась на некоторых морских двигателях тройного расширения . Двигатели YST разделили ступени расширения низкого давления между двумя цилиндрами, по одному на каждом конце двигателя. Это позволило лучше сбалансировать коленчатый вал, в результате чего двигатель стал работать более плавно, быстрее и работал с меньшей вибрацией. Это сделало четырехцилиндровый двигатель тройного расширения популярным на больших пассажирских лайнерах (таких как олимпийский класс ), но в конечном итоге он был заменен практически невибрирующим турбинным двигателем. [ нужна цитация ] Следует отметить, однако, что поршневые паровые двигатели тройного расширения использовались для привода кораблей «Либерти» времен Второй мировой войны , что на сегодняшний день является самым большим количеством идентичных кораблей, когда-либо построенных. В США по оригинальному британскому проекту было построено более 2700 кораблей. [ нужна цитата ]
На изображении в этом разделе показана анимация двигателя тройного расширения. Пар проходит через двигатель слева направо. Клапанная коробка каждого из цилиндров находится слева от соответствующего цилиндра. [ нужна цитата ]
Наземные паровые двигатели могли выбрасывать пар в атмосферу, поскольку питательная вода обычно была легко доступна. До и во время Первой мировой войны расширительный двигатель доминировал в морской технике, где высокая скорость судна не была существенной. Однако там, где требовалась скорость, ее заменила паровая турбина британского изобретения , например, на военных кораблях, таких как линкоры-дредноуты , и океанских лайнерах . HMS Dreadnought 1905 года был первым крупным военным кораблем, заменившим проверенную технологию поршневого двигателя на новейшую на тот момент паровую турбину. [63]
В большинстве поршневых двигателей с возвратно-поступательным движением пар меняет направление потока при каждом такте (противоток), входя и выходя из одного и того же конца цилиндра. Полный цикл двигателя занимает один оборот кривошипа и два хода поршня; цикл также включает четыре события – впуск, расширение, выпуск, сжатие. Эти события контролируются клапанами, часто работающими внутри паровой камеры , прилегающей к цилиндру; клапаны распределяют пар, открывая и закрывая паровые отверстия , сообщающиеся с концом(ами) цилиндра, и приводятся в движение клапанным механизмом , которого существует много типов. [ нужна цитата ]
Простейшие клапанные механизмы дают события фиксированной длины во время цикла двигателя и часто заставляют двигатель вращаться только в одном направлении. Однако многие из них имеют реверсивный механизм , который дополнительно может обеспечить средства для экономии пара, поскольку скорость и импульс набираются за счет постепенного «сокращения отсечки » или, скорее, сокращения времени приема; это, в свою очередь, пропорционально удлиняет период расширения. Однако, поскольку один и тот же клапан обычно управляет обоими потоками пара, короткое отключение при впуске отрицательно влияет на периоды выпуска и сжатия, которые в идеале всегда должны поддерживаться достаточно постоянными; если выхлоп слишком короткий, весь выхлопной пар не может покинуть цилиндр, заглушая его и вызывая чрезмерное сжатие ( «отдача» ). [64]
В 1840-х и 1850-х годах были попытки решить эту проблему с помощью различных запатентованных клапанных механизмов с отдельным расширительным клапаном с регулируемой отсечкой, установленным на задней части главного золотникового клапана; последний обычно имел фиксированное или ограниченное ограничение. Комбинированная установка давала хорошее приближение к идеальным событиям за счет увеличения трения и износа, а механизм имел тенденцию быть сложным. Обычное компромиссное решение заключалось в обеспечении притира за счет удлинения трущихся поверхностей клапана таким образом, чтобы перекрывать отверстие на впускной стороне, в результате чего выпускная сторона оставалась открытой в течение более длительного периода после отключения на впускной стороне. сторона произошла. С тех пор этот метод в целом считается удовлетворительным для большинства целей и делает возможным использование более простых движений Стефенсона , Джоя и Вальшартса . Корлисс , а позже и тарельчатые клапанные механизмы имели отдельные впускные и выпускные клапаны, приводимые в движение механизмами отключения или кулачками , профилированными так, чтобы обеспечить идеальные события; большинство этих механизмов никогда не имели успеха за пределами стационарного рынка из-за различных других проблем, включая утечки и более хрупкие механизмы. [62] [65]
Прежде чем фаза выпуска полностью завершится, выпускная сторона клапана закрывается, перекрывая часть выхлопного пара внутри цилиндра. Это определяет фазу сжатия, когда образуется паровая подушка, против которой работает поршень, в то время как его скорость быстро снижается; кроме того, это позволяет избежать скачков давления и температуры, которые в противном случае были бы вызваны внезапным поступлением пара под высоким давлением в начале следующего цикла. [ нужна цитата ]
Вышеупомянутые эффекты еще больше усиливаются за счет обеспечения опережения : как позже было обнаружено в случае с двигателем внутреннего сгорания , с конца 1830-х годов было сочтено выгодным опережать фазу впуска, давая клапану опережение так, чтобы впуск происходил немного раньше окончания такт выпуска, чтобы заполнить зазор , включающий порты и концы цилиндра (не часть рабочего объема поршня), прежде чем пар начнет оказывать усилие на поршень. [66]
Двигатели Uniflow пытаются устранить трудности, возникающие при обычном цикле противотока, когда во время каждого такта порт и стенки цилиндра охлаждаются проходящим выхлопным паром, в то время как более горячий входящий пар будет тратить часть своей энергии на восстановление рабочего режима. температура. Цель прямотока — устранить этот дефект и повысить эффективность за счет создания дополнительного отверстия, открытого поршнем в конце каждого хода, благодаря которому пар течет только в одном направлении. Таким образом, прямоточный двигатель простого расширения обеспечивает эффективность, эквивалентную эффективности классических составных систем, с дополнительным преимуществом превосходных характеристик при частичной нагрузке и эффективностью, сравнимой с турбинами для небольших двигателей мощностью менее тысячи лошадиных сил. Однако создание градиента теплового расширения прямоточных двигателей вдоль стенки цилиндра создает практические трудности. [ нужна цитата ] .
Паровая турбина состоит из одного или нескольких роторов (вращающихся дисков), установленных на приводном валу, чередующихся с рядом статоров (статических дисков), прикрепленных к корпусу турбины. Несущие винты имеют расположение лопастей на внешнем крае, напоминающее пропеллер. Пар воздействует на эти лопасти, создавая вращательное движение. Статор состоит из аналогичного, но фиксированного ряда лопаток, которые служат для перенаправления потока пара на следующую ступень ротора. Паровая турбина часто выбрасывает воздух в поверхностный конденсатор , создающий вакуум. Ступени паровой турбины обычно устроены так, чтобы извлекать максимальную потенциальную работу из определенной скорости и давления пара, что приводит к созданию серии ступеней высокого и низкого давления разного размера. Турбины эффективны только в том случае, если они вращаются с относительно высокой скоростью, поэтому их обычно подключают к понижающей передаче для привода низкоскоростных устройств, таких как гребной винт корабля. На подавляющем большинстве крупных электростанций турбины напрямую соединены с генераторами без редуктора. Типичная скорость составляет 3600 об/мин (об/мин) в США при мощности 60 Герц и 3000 об/мин в Европе и других странах с электроэнергетическими системами 50 Герц. В ядерной энергетике турбины обычно работают на половине этих скоростей: 1800 и 1500 об/мин. Ротор турбины также способен обеспечивать мощность только при вращении в одном направлении. Поэтому реверсивная ступень или редуктор обычно требуются там, где требуется мощность в противоположном направлении. [ нужна цитата ]
Паровые турбины создают прямую вращательную силу и поэтому не требуют рычажного механизма для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное. Таким образом, они создают более плавное вращательное усилие на выходном валу. Это способствует снижению требований к техническому обслуживанию и меньшему износу оборудования, которое они приводят в действие, по сравнению с сопоставимым поршневым двигателем. [ нужна цитата ]
Основное применение паровых турбин – производство электроэнергии (в 1990-х годах около 90% мирового производства электроэнергии приходилось на паровые турбины) [5] , однако недавнее широкое применение крупных газотурбинных установок и типичных электростанций с комбинированным циклом привело к в снижении этого процента до режима 80% для паровых турбин. При производстве электроэнергии высокая скорость вращения турбины хорошо сочетается со скоростью современных электрогенераторов, которые обычно напрямую связаны с приводными турбинами. В морской эксплуатации (впервые на « Турбинии ») паровые турбины с редуктором (хотя на «Турбинии» турбины напрямую соединены с гребными винтами без редуктора) доминировали в двигательных установках крупных кораблей на протяжении всего конца 20-го века, будучи более эффективными (и требуя гораздо меньшего обслуживания). чем поршневые паровые машины. В последние десятилетия поршневые дизельные двигатели и газовые турбины почти полностью вытеснили паровые двигатели для морских применений. [ нужна цитата ]
Практически все атомные электростанции вырабатывают электроэнергию, нагревая воду для получения пара, который приводит в движение турбину, соединенную с электрическим генератором . Корабли и подводные лодки с атомными двигателями либо используют паровую турбину непосредственно в качестве основной силовой установки, а генераторы обеспечивают вспомогательную мощность, либо используют турбоэлектрическую трансмиссию , где пар приводит в движение турбогенераторную установку с тягой, обеспечиваемой электродвигателями. Было выпущено ограниченное количество паротурбинных локомотивов . Некоторые неконденсационные локомотивы с прямым приводом действительно добились определенного успеха в грузовых перевозках на дальние расстояния в Швеции и для экспресс-пассажирских перевозок в Великобритании , но не повторились. В других странах, особенно в США, более совершенные конструкции с электрической трансмиссией были созданы экспериментально, но не воспроизведены. Было обнаружено, что паровые турбины не идеально подходят для условий железной дороги, и эти локомотивы не смогли вытеснить классические поршневые паровые агрегаты так, как это сделали современные дизельные и электрические тяги. [ нужна цитата ]
Паровой двигатель с качающимся цилиндром представляет собой вариант парового двигателя простого расширения, для которого не требуются клапаны для направления пара в цилиндр и из него. Вместо клапанов весь цилиндр раскачивается или колеблется, так что одно или несколько отверстий в цилиндре совпадают с отверстиями в неподвижной поверхности порта или в шарнирном креплении ( цапфе ). Эти двигатели в основном используются в игрушках и моделях из-за их простоты, но также используются в полноразмерных рабочих двигателях, в основном на кораблях , где ценится их компактность. [67]
Вместо цилиндров и клапанного механизма обычного поршневого парового двигателя можно использовать механизм на основе беспоршневого роторного двигателя , такого как двигатель Ванкеля . Со времен Джеймса Уатта до наших дней было спроектировано множество таких двигателей, но на самом деле было построено сравнительно мало, и еще меньше было запущено в серийное производство; более подробную информацию см. по ссылке внизу статьи. Основная проблема заключается в сложности герметизации роторов, чтобы сделать их паронепроницаемыми в условиях износа и теплового расширения ; возникшая в результате утечка сделала их очень неэффективными. Отсутствие расширенной работы или каких-либо средств контроля обрезки также является серьезной проблемой многих таких конструкций. [ нужна цитата ]
К 1840-м годам стало ясно, что эта концепция имеет присущие проблемы, и роторные двигатели вызвали некоторую насмешку в технической прессе. Однако появление электричества и очевидные преимущества привода динамо-машины непосредственно от высокоскоростного двигателя привели к некоторому возрождению интереса в 1880-х и 1890-х годах, и несколько проектов имели ограниченный успех. [ нужна цитата ] .
Из немногих конструкций, которые были произведены в больших количествах, следует отметить конструкции компании Hult Brothers Rotary Steam Engine из Стокгольма, Швеция, и сферический двигатель башни Бошан . Двигатели Тауэра использовались Великой Восточной железной дорогой для привода осветительных динамо-машин на своих локомотивах, а также Адмиралтейством для привода динамо-машин на борту кораблей Королевского флота . В конечном итоге в этих нишевых приложениях их заменили паровые турбины. [ нужна цитата ]
Эолипил представляет собой использование пара по принципу ракетной реакции , хотя и не для прямого движения. [ нужна цитата ]
В более современные времена использование пара в ракетной технике, особенно в ракетных автомобилях, было ограничено. Паровая ракетная техника работает путем заполнения сосуда под высоким давлением горячей водой под высоким давлением и открытия клапана, ведущего к подходящему соплу. Падение давления немедленно приводит к кипению части воды, и пар выходит через сопло, создавая движущую силу. [68]
Карета Фердинанда Вербиста была приведена в движение эолипилом в 1679 году .
Паровые двигатели оснащены котлами и другими компонентами, представляющими собой сосуды под давлением , содержащие большое количество потенциальной энергии. Выбросы пара и взрывы котлов (обычно BLEVE ) могут и в прошлом приводили к большим человеческим жертвам. Хотя в разных странах могут существовать различия в стандартах, для обеспечения безопасности применяются строгие требования законодательства, испытаний, обучения, ухода при производстве, эксплуатации и сертификации. [ нужна цитата ]
Режимы отказа могут включать в себя:
Паровые машины часто имеют два независимых механизма, гарантирующих, что давление в котле не станет слишком высоким; один может быть настроен пользователем, второй обычно спроектирован как максимально безопасный. В таких предохранительных клапанах традиционно использовался простой рычаг, удерживающий пробковый клапан в верхней части котла. На одном конце рычага находился груз или пружина, которая удерживала клапан от давления пара. Ранние клапаны могли регулироваться машинистами, что приводило ко многим авариям, когда водитель закреплял клапан, чтобы обеспечить большее давление пара и большую мощность двигателя. В более новом типе предохранительного клапана используется регулируемый подпружиненный клапан, который блокируется таким образом, что операторы не могут вмешиваться в его регулировку, если только пломба не будет нарушена незаконно. Такое расположение значительно безопаснее. [ нужна цитата ]
В венце топки котла могут присутствовать свинцовые плавкие пробки . Если уровень воды падает настолько, что температура верха топки значительно возрастает, свинец плавится и пар выходит, предупреждая операторов, которые затем могут вручную потушить огонь. За исключением самых маленьких котлов, выход пара мало влияет на гашение огня. Пробки также слишком малы по площади, чтобы значительно снизить давление пара, что приведет к разгерметизации котла. Если бы они были больше, объем выходящего пара сам по себе подверг бы опасности экипаж. [ нужна цитата ]
Цикл Ренкина является фундаментальной термодинамической основой парового двигателя. Цикл представляет собой комбинацию компонентов, которая обычно используется для простого производства электроэнергии и использует фазовый переход воды (кипящая вода производит пар, конденсируется отходящий пар, производит жидкую воду)) для обеспечения практической системы преобразования тепла/энергии. Тепло подается извне в замкнутый контур, при этом часть добавленного тепла преобразуется в работу, а отработанное тепло удаляется в конденсаторе. Цикл Ренкина используется практически во всех приложениях по производству паровой энергии. В 1990-х годах паровые циклы Ренкина вырабатывали около 90% всей электроэнергии, используемой во всем мире, включая практически все солнечные , биомассовые , угольные и атомные электростанции . Он назван в честь Уильяма Джона Маккорна Рэнкина , шотландского эрудита . [69]
Цикл Ренкина иногда называют практическим циклом Карно , потому что при использовании эффективной турбины диаграмма TS начинает напоминать цикл Карно. Основное отличие состоит в том, что подвод тепла (в котле) и отвод тепла (в конденсаторе) являются изобарическими (постоянным давлением) процессами в цикле Ренкина и изотермическими (постоянной температурой ) процессами в теоретическом цикле Карно. В этом цикле насос используется для создания давления рабочей жидкости, которая поступает из конденсатора в виде жидкости, а не газа. Для перекачки рабочего тела в жидкой форме во время цикла требуется малая доля энергии для его транспортировки по сравнению с энергией, необходимой для сжатия рабочего тела в газообразной форме в компрессоре (как в цикле Карно ). Цикл поршневого парового двигателя отличается от цикла турбины тем, что конденсация и повторное испарение происходят в цилиндре или во входных каналах пара. [60]
Рабочая жидкость в цикле Ренкина может работать как система с замкнутым контуром, где рабочая жидкость непрерывно рециркулируется, или может быть системой с «разомкнутым контуром», где выхлопной пар выбрасывается непосредственно в атмосферу, и имеет отдельный источник воды. питание котла поставляется. Обычно вода является предпочтительной жидкостью из-за ее благоприятных свойств, таких как нетоксичный и нереактивный химический состав, изобилие, низкая стоимость и ее термодинамические свойства . Ртуть является рабочим телом в турбине на парах ртути . Низкокипящие углеводороды можно использовать в бинарном цикле . [ нужна ссылка ] [70]
Паровая машина внесла большой вклад в развитие термодинамической теории; однако единственными применениями научной теории, которые повлияли на паровой двигатель, были оригинальные концепции использования силы пара и атмосферного давления, а также знание свойств тепла и пара. Экспериментальные измерения, проведенные Уаттом на модели паровой машины, привели к разработке отдельного конденсатора. Уотт независимо обнаружил скрытую теплоту , что было подтверждено первооткрывателем Джозефом Блэком , который также консультировал Уотта по экспериментальным процедурам. Уотт также знал об изменении температуры кипения воды в зависимости от давления. В остальном доработки самого двигателя носили скорее механический характер. [18] Термодинамические концепции цикла Ренкина действительно дали инженерам понимание, необходимое для расчета эффективности, что помогло разработать современные котлы высокого давления и температуры, а также паровую турбину. [ нужна цитата ]
КПД цикла двигателя можно рассчитать, разделив выходную энергию механической работы, которую производит двигатель, на энергию, вложенную в двигатель.
Историческим показателем энергоэффективности парового двигателя была его «обязанность». Концепция режима работы была впервые введена Уоттом, чтобы проиллюстрировать, насколько более эффективны его двигатели по сравнению с более ранними конструкциями Ньюкомена . Пошлина — это количество футо-фунтов работы , выполненной при сжигании одного бушеля (94 фунта) угля. Лучшие образцы конструкций Ньюкомена имели долг около 7 миллионов, но большинство из них были ближе к 5 миллионам. Первоначальные конструкции низкого давления Уотта могли обеспечить нагрузку до 25 миллионов, но в среднем около 17. Это было трехкратное улучшение по сравнению со средней конструкцией Ньюкомена. Ранние двигатели Ватта, оснащенные паром высокого давления, улучшили это значение до 65 миллионов. [71]
Никакая тепловая машина не может быть более эффективной, чем цикл Карно , в котором тепло переносится из резервуара с высокой температурой в резервуар с низкой температурой, а КПД зависит от разницы температур. Для наибольшей эффективности паровые двигатели должны работать при максимально возможной температуре пара ( перегретый пар ) и выделять отходящее тепло при минимально возможной температуре. [ нужна цитата ]
Эффективность цикла Ренкина обычно ограничивается рабочей жидкостью. Без достижения давления сверхкритического уровня для рабочего тела диапазон температур, в котором может работать цикл, невелик; в паровых турбинах температура на входе в турбину обычно составляет 565 °C ( предел ползучести нержавеющей стали), а температура конденсатора составляет около 30 °C. Это дает теоретический КПД Карно около 63% по сравнению с фактическим КПД современной угольной электростанции 42%. Эта низкая температура на входе в турбину (по сравнению с газовой турбиной ) является причиной того, что цикл Ренкина часто используется в качестве нижнего цикла на газотурбинных электростанциях с комбинированным циклом. [ нужна цитата ]
Одним из основных преимуществ цикла Ренкина перед другими является то, что на стадии сжатия требуется относительно небольшая работа для привода насоса, поскольку рабочая жидкость в этот момент находится в жидкой фазе. За счет конденсации жидкости работа, требуемая насосом, потребляет всего от 1% до 3% мощности турбины (или поршневого двигателя) и способствует гораздо более высокому КПД реального цикла. Преимущество этого несколько теряется из-за более низкой температуры подвода тепла. Например, газовые турбины имеют температуру на входе в турбину, приближающуюся к 1500 °C. Тем не менее, эффективность реальных больших паровых циклов и больших современных газовых турбин простого цикла достаточно хорошо согласована. [72]
На практике цикл поршневого парового двигателя, выбрасывающего пар в атмосферу, обычно имеет КПД (включая котел) в диапазоне 1–10%. Однако с добавлением конденсатора, клапанов Корлисса, многократного расширения и высокого давления/температуры пара его можно значительно улучшить. Исторически сложилось так, что этот показатель находится в диапазоне 10–20% и очень редко немного выше. [ нужна цитата ]
Современная крупная электростанция (производящая несколько сотен мегаватт электрической мощности) с паровым подогревом , экономайзером и т. д. достигнет КПД в среднем диапазоне 40%, при этом тепловой КПД наиболее эффективных агрегатов приближается к 50%. [ нужна цитата ]
Также возможно улавливать отходящее тепло с помощью когенерации , при которой отходящее тепло используется для нагрева рабочей жидкости с более низкой температурой кипения или в качестве источника тепла для централизованного теплоснабжения с помощью насыщенного пара низкого давления. [ нужна цитата ]
В городе на юге Уэльса начались месяцы празднования 200-летия изобретения паровоза. Мертир-Тидвил был местом, где 21 февраля 1804 года Ричард Тревитик перенес мир в эпоху железных дорог, когда он установил один из своих паровых двигателей высокого давления на трамвайные рельсы местного мастера по производству железа.
