Паровой двигатель — это тепловой двигатель , который выполняет 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 шатуном и кривошипом во вращательную силу для работы. Термин «паровой двигатель» чаще всего применяется к поршневым двигателям , как описано выше, хотя некоторые специалисты также называют паровую турбину и устройства, такие как эолипил Герона , «паровыми двигателями». Существенной особенностью паровых двигателей является то, что они являются двигателями внешнего сгорания , [1] в которых рабочее тело отделено от продуктов сгорания. Идеальный термодинамический цикл, используемый для анализа этого процесса, называется циклом Ренкина . В общем смысле термин «паровой двигатель» может относиться как к полным паровым установкам (включая котлы и т. д.), таким как железнодорожные паровозы и переносные двигатели , так и может относиться только к поршневым или турбинным машинам, как в балочном двигателе и стационарном паровом двигателе .
Как уже отмечалось, паровые устройства, такие как эолипил, были известны в первом веке нашей эры, и было зафиксировано несколько других применений в XVI веке. В 1606 году Херонимо де Аянс-и-Бомонт запатентовал свое изобретение первого парового водяного насоса для осушения шахт. [2] Томас Савери считается изобретателем первого коммерчески используемого парового устройства, парового насоса, который использовал давление пара, работающего непосредственно на воде. Первый коммерчески успешный двигатель, который мог передавать непрерывную мощность машине, был разработан в 1712 году Томасом Ньюкоменом . Джеймс Уатт внес важное усовершенствование в 1764 году, удалив отработанный пар в отдельный сосуд для конденсации, что значительно увеличило количество работы, полученной на единицу потребляемого топлива. К XIX веку стационарные паровые двигатели приводили в действие фабрики промышленной революции . Паровые двигатели заменили паруса на кораблях на колесных пароходах , а паровозы работали на железных дорогах.
Паровые двигатели поршневого типа были доминирующим источником энергии до начала 20-го века. Эффективность стационарного парового двигателя резко возросла примерно до 1922 года. [3] Самый высокий КПД цикла Ренкина 91% и комбинированный тепловой КПД 31% были продемонстрированы и опубликованы в 1921 и 1928 годах. [4] Достижения в области проектирования электродвигателей и двигателей 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 высокой эффективности. [5] Обратите внимание, что малые паровые турбины намного менее эффективны, чем большие. [6]
По состоянию на 2023 год [update]в Германии все еще производятся крупные поршневые паровые двигатели. [7]
Как уже отмечалось, одним из известных примитивных паровых двигателей был эолипил, описанный Героном Александрийским , эллинистическим математиком и инженером, жившим в Римском Египте в первом веке нашей эры. [8] В последующие столетия немногие известные паровые двигатели, как и эолипил, [9] по сути являлись экспериментальными устройствами, используемыми изобретателями для демонстрации свойств пара.
Элементарное устройство паровой турбины 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 патенты в 1606 году на 50 изобретений, работающих на паре, включая водяной насос для осушения затопленных шахт. [13] Француз Дени Папен провел полезную работу над паровым реактором в 1679 году и впервые использовал поршень для подъема тяжестей в 1690 году. [14]
Первым коммерческим паровым устройством был 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. Небольшие двигатели были эффективны, хотя более крупные модели были проблематичны. Они имели очень ограниченную высоту подъема и были склонны к взрывам котлов . Двигатель Савери использовался в шахтах, насосных станциях и для подачи воды на водяные колеса, приводящие в действие текстильные машины. [16] Одним из преимуществ двигателя Савери была его низкая стоимость. [17] Бенту-ди-Моура Португал представил усовершенствование конструкции Савери, «чтобы сделать ее способной работать самостоятельно», как описано Джоном Смитоном в Philosophical Transactions, опубликованном в 1751 году. [18] Его продолжали производить до конца 18 века. [19] Было известно, что по крайней мере один двигатель все еще работал в 1820 году. [20]
Первым коммерчески успешным двигателем, который мог передавать непрерывную мощность машине, был атмосферный двигатель , изобретенный Томасом Ньюкоменом около 1712 года. [b] [22] Он улучшил паровой насос Савери, используя поршень, как предложил Папен. Двигатель Ньюкомена был относительно неэффективен и в основном использовался для перекачивания воды. Он работал, создавая частичный вакуум путем конденсации пара под поршнем внутри цилиндра. Он использовался для осушения горных выработок на глубинах, которые изначально были непрактичны при использовании традиционных средств, и для обеспечения повторного использования воды для приведения в действие водяных колес на фабриках, расположенных вдали от подходящего «головка». Вода, которая проходила через колесо, закачивалась в резервуар для хранения над колесом. [23] [24] В 1780 году Джеймс Пикард запатентовал использование маховика и коленчатого вала для обеспечения вращательного движения от улучшенного двигателя Ньюкомена. [25]
В 1720 году Якоб Лейпольд описал двухцилиндровую паровую машину высокого давления. [26] Изобретение было опубликовано в его главном труде «Theatri Machinarum Hydraulicarum». [27] Двигатель использовал два тяжелых поршня для приведения в движение водяного насоса. Каждый поршень поднимался давлением пара и возвращался в исходное положение под действием силы тяжести. Два поршня использовали общий четырехходовой поворотный клапан, соединенный напрямую с паровым котлом.
Следующий важный шаг произошел, когда Джеймс Уатт разработал (1763–1775) улучшенную версию двигателя Ньюкомена с отдельным конденсатором . Ранние двигатели Болтона и Уатта использовали вдвое меньше угля, чем улучшенная версия Ньюкомена Джона Смитона . [28] Ранние двигатели Ньюкомена и Уатта были «атмосферными». Они работали от давления воздуха, толкающего поршень в частичный вакуум, создаваемый конденсирующимся паром, вместо давления расширяющегося пара. Цилиндры двигателя должны были быть большими, потому что единственной полезной силой, действующей на них, было атмосферное давление . [23] [29]
Уатт усовершенствовал свой двигатель, модифицировав его для обеспечения вращательного движения, пригодного для привода машин. Это позволило размещать фабрики вдали от рек и ускорило темпы промышленной революции. [29] [23] [30]
Значение высокого давления, вместе с фактическим значением выше окружающего, зависит от эпохи, в которой использовался этот термин. Для раннего использования термина Ван Реймсдейк [31] ссылается на пар, находящийся под достаточно высоким давлением, чтобы он мог быть выпущен в атмосферу без опоры на вакуум, чтобы позволить ему выполнить полезную работу. Юинг 1894, стр. 22 утверждает, что конденсационные двигатели Уатта были известны в то время как двигатели низкого давления по сравнению с двигателями высокого давления, неконденсирующимися в тот же период.
Патент Уатта не позволил другим производить двигатели высокого давления и составные двигатели. Вскоре после того, как патент Уатта истек в 1800 году, Ричард Тревитик и, отдельно, Оливер Эванс в 1801 году [30] [32] представили двигатели, использующие пар высокого давления; Тревитик получил свой патент на двигатель высокого давления в 1802 году, [33] а Эванс до этого создал несколько рабочих моделей. [34] Они были намного мощнее для данного размера цилиндра, чем предыдущие двигатели, и могли быть сделаны достаточно маленькими для транспортных применений. После этого технологические разработки и усовершенствования в методах производства (отчасти вызванные принятием парового двигателя в качестве источника энергии) привели к разработке более эффективных двигателей, которые могли быть меньше, быстрее или мощнее, в зависимости от предполагаемого применения. [23]
Двигатель Корнуолла был разработан Тревитиком и другими в 1810-х годах. [35] Это был двигатель составного цикла, который использовал пар высокого давления в расширенном режиме, а затем конденсировал пар низкого давления, что делало его относительно эффективным. Двигатель Корнуолла имел нерегулярное движение и крутящий момент в течение цикла, ограничивая его в основном насосной работой. Двигатели Корнуолла использовались в шахтах и для водоснабжения до конца 19-го века. [36]
Ранние строители стационарных паровых двигателей считали, что горизонтальные цилиндры будут подвержены чрезмерному износу. Поэтому их двигатели были расположены с осью поршня в вертикальном положении. Со временем горизонтальное расположение стало более популярным, что позволило устанавливать компактные, но мощные двигатели в меньших пространствах.
Вершиной горизонтального двигателя стал паровой двигатель Корлисса , запатентованный в 1849 году, который представлял собой четырехклапанный двигатель противотока с отдельными клапанами впуска и выпуска пара и автоматическим регулируемым отключением пара. Когда Корлиссу вручили медаль Рамфорда , комитет заявил, что «ни одно изобретение со времен Уатта не повышало эффективность парового двигателя настолько». [37] Помимо использования на 30% меньше пара, он обеспечивал более равномерную скорость благодаря регулируемому отключению пара, что делало его хорошо подходящим для производства, особенно для прядения хлопка. [23] [30]
Первые экспериментальные дорожные паровые транспортные средства 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. Первая половина 19 века ознаменовалась большим прогрессом в проектировании паровых транспортных средств, и к 1850-м годам стало возможным производить их на коммерческой основе. Этот прогресс был подавлен законодательством, которое ограничивало или запрещало использование паровых транспортных средств на дорогах. Усовершенствования в технологии транспортных средств продолжались с 1860-х по 1920-е годы. Паровые дорожные транспортные средства использовались для многих целей. В 20 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 оставались в эксплуатации после Второй мировой войны . Многие из этих транспортных средств были приобретены энтузиастами для сохранения, и многочисленные примеры все еще существуют. В 1960-х годах проблемы загрязнения воздуха в Калифорнии вызвали кратковременный интерес к разработке и изучению паровых транспортных средств как возможного средства снижения загрязнения. За исключением интереса со стороны энтузиастов пара, случайных копий транспортных средств и экспериментальных технологий, в настоящее время паровые транспортные средства не производятся.
Ближе к концу 19-го века широкое распространение получили составные двигатели. Составные двигатели выпускали пар в последовательно большие цилиндры, чтобы вместить большие объемы при пониженном давлении, обеспечивая повышенную эффективность. Эти этапы назывались расширениями, причем двигатели двойного и тройного расширения были обычным явлением, особенно в судоходстве, где эффективность была важна для снижения веса перевозимого угля. [23] Паровые двигатели оставались доминирующим источником энергии до начала 20-го века, когда достижения в области проектирования паровой турбины , электродвигателей и двигателей внутреннего сгорания постепенно привели к замене поршневых паровых двигателей, при этом торговое судоходство все больше полагалось на дизельные двигатели , а военные корабли на паровые турбины. [23] [5]
По мере развития паровых двигателей в течение XVIII века предпринимались различные попытки применить их на дорогах и железных дорогах. [ 38] В 1784 году шотландский изобретатель Уильям Мердок построил модель парового дорожного локомотива. [39] Ранняя рабочая модель парового железнодорожного локомотива была спроектирована и построена пионером пароходства Джоном Фитчем в Соединенных Штатах, вероятно, в 1780-х или 1790-х годах. [40] Его паровоз использовал внутренние лопастные колеса [ необходимо разъяснение ], направляемые рельсами или путями.
.jpg/1280px-Union_Pacific_844,_Painted_Rocks,_NV,_2009_(crop).jpg)
Первый полномасштабный рабочий железнодорожный паровоз был построен Ричардом Тревитиком в Соединенном Королевстве , а 21 февраля 1804 года состоялась первая в мире железнодорожная поездка, когда паровоз Тревитика перевез 10 тонн железа, 70 пассажиров и пять вагонов по трамвайной линии от металлургического завода Пен-и-Даррен , недалеко от Мертир-Тидвила , до Аберсинона в Южном Уэльсе . [38] [41] [42] Конструкция включала ряд важных инноваций, в том числе использование пара высокого давления, что уменьшило вес двигателя и повысило его эффективность. Тревитик посетил район Ньюкасла позже в 1804 году, и железные дороги угольных шахт на северо-востоке Англии стали ведущим центром экспериментов и разработки паровозов. [43]
Тревитик продолжил свои собственные эксперименты с использованием трех локомотивов, завершив их поездом Catch Me Who Can в 1808 году. Всего четыре года спустя успешный двухцилиндровый локомотив Salamanca Мэтью Мюррея использовался на реечной передаче Middleton Railway . [44] В 1825 году Джордж Стефенсон построил Locomotion для Stockton and Darlington Railway . Это была первая в мире публичная паровая железная дорога, а затем в 1829 году он построил The Rocket , которая участвовала в Rainhill Trials и выиграла их . [45] В 1830 году открылась железная дорога Liverpool and Manchester, использовавшая 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 выпускался DR Class 52.80 ). [46]
Последним крупным этапом развития конструкции парового двигателя стало использование паровых турбин , начавшееся в конце 19-го века. Паровые турбины, как правило, более эффективны, чем поршневые паровые двигатели (для выходной мощности свыше нескольких сотен лошадиных сил), имеют меньше движущихся частей и обеспечивают вращательную мощность напрямую, а не через систему шатунов или аналогичные средства. [47] Паровые турбины фактически 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 Соединенных Штатах 90% электроэнергии вырабатывается таким образом с использованием различных источников тепла. [5] Паровые турбины широко применялись для приведения в движение больших судов на протяжении большей части 20-го века.
Хотя поршневой паровой двигатель больше не имеет широкого коммерческого применения, различные компании изучают или используют потенциал этого двигателя в качестве альтернативы двигателям внутреннего сгорания.
Существует два основных компонента паровой установки: котел или парогенератор и «двигательный агрегат», называемый сам по себе «паровой машиной». Стационарные паровые машины в стационарных зданиях могут иметь котел и двигатель в отдельных зданиях на некотором расстоянии друг от друга. Для переносного или мобильного использования, например, паровозов , они монтируются вместе. [48] [49]
Широко используемый поршневой двигатель обычно состоял из чугунного цилиндра, поршня, шатуна и балки или кривошипа и маховика, а также различных связей. Пар попеременно подавался и выпускался одним или несколькими клапанами. Регулировка скорости была либо автоматической, с помощью регулятора, либо ручным клапаном. Отливка цилиндра содержала отверстия для подачи и выпуска пара.
Двигатели, оснащенные конденсатором, представляют собой отдельный тип двигателей, отличных от тех, которые выбрасывают отработавшие газы в атмосферу.
Часто присутствуют и другие компоненты; насосы (например, инжектор ) для подачи воды в котел во время работы, конденсаторы для рециркуляции воды и рекуперации скрытой теплоты испарения, а также пароперегреватели для повышения температуры пара выше точки насыщения паров и различные механизмы для увеличения тяги для топок. При использовании угля может быть включен цепной или винтовой механизм подачи и его приводной двигатель или мотор для перемещения топлива из бункера (бункера) в топку. [50]
Тепло, необходимое для кипячения воды и повышения температуры пара, может быть получено из различных источников, чаще всего от сжигания горючих материалов с соответствующим поступлением воздуха в закрытом пространстве (например, в камере сгорания , топке , печи). В случае модельных или игрушечных паровых двигателей и нескольких полномасштабных случаев источником тепла может быть электрический нагревательный элемент .
Котлы — это сосуды под давлением , содержащие воду для кипячения, и устройства, которые передают тепло воде максимально эффективно.
Наиболее распространены два типа:
Основным типом котлов, использовавшихся для получения пара высокого давления на ранних этапах (типичная практика паровозостроения), были жаротрубные котлы, однако в конце XIX века их в значительной степени вытеснили более экономичные водотрубные котлы, использовавшиеся в судовых двигателях и крупных стационарных установках.
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 высокую эффективность . [51] [52]
В паровой машине поршневая или паровая турбина или любое другое подобное устройство для выполнения механической работы принимает пар высокого давления и температуры и выдает пар более низкого давления и температуры, используя как можно большую часть разницы в энергии пара для выполнения механической работы.
Эти «двигатели» часто называют «паровыми двигателями» сами по себе. Двигатели, использующие сжатый воздух или другие газы, отличаются от паровых двигателей только деталями, которые зависят от природы газа, хотя сжатый воздух использовался в паровых двигателях без изменений. [52]
Как и во всех тепловых двигателях, большая часть первичной энергии должна выделяться в виде отработанного тепла при относительно низкой температуре. [53]
Самый простой холодный сток — это выпуск пара в окружающую среду. Это часто используется на паровозах, чтобы избежать веса и объема конденсаторов. Часть выпущенного пара выбрасывается в дымоход, чтобы увеличить тягу в огне, что значительно увеличивает мощность двигателя, но снижает эффективность.
Иногда отходящее тепло двигателя само по себе полезно, и в таких случаях можно получить очень высокую общую эффективность.
Паровые двигатели на стационарных электростанциях используют поверхностные конденсаторы в качестве холодного стока. Конденсаторы охлаждаются потоком воды из океанов, рек, озер и часто градирнями, которые испаряют воду, обеспечивая отвод охлаждающей энергии. Полученная конденсированная горячая вода ( конденсат ) затем закачивается обратно под давлением и отправляется обратно в котел. Градирня сухого типа похожа на автомобильный радиатор и используется в местах, где вода дорогая. Отработанное тепло также может выбрасываться испарительными (мокрыми) градирнями, которые используют вторичный внешний водяной контур, который испаряет часть потока в воздух.
Первоначально речные суда использовали струйный конденсатор , в котором холодная вода из реки впрыскивалась в выхлопной пар двигателя. Смесь охлаждающей воды и конденсата. Хотя это также применялось для морских судов, обычно после нескольких дней эксплуатации котел покрывался отложенной солью, что снижало производительность и увеличивало риск взрыва котла. Начиная примерно с 1834 года, использование поверхностных конденсаторов на судах исключило загрязнение котлов и повысило эффективность двигателя. [54]
Испарившаяся вода не может быть использована для последующих целей (кроме дождя где-то), тогда как речную воду можно использовать повторно. Во всех случаях питательная вода котла паровой установки, которая должна быть чистой, хранится отдельно от охлаждающей воды или воздуха.
Большинство паровых котлов имеют средства для подачи воды под давлением, так что они могут работать непрерывно. Коммунальные и промышленные котлы обычно используют многоступенчатые центробежные насосы ; однако используются и другие типы. Другим средством подачи питательной воды для котла с низким давлением является инжектор , который использует струю пара, обычно подаваемую из котла. Инжекторы стали популярными в 1850-х годах, но больше не используются широко, за исключением таких применений, как паровозы. [55] Именно повышение давления воды, циркулирующей через паровой котел, позволяет нагревать воду до температур, значительно превышающих 100 °C (212 °F) точку кипения воды при одном атмосферном давлении, и тем самым повышать эффективность парового цикла.
.jpg/1280px-Steam_indicator_(Steam_and_the_Steam_Engine_-_Land_and_Marine,_1875).jpg)
В целях безопасности почти все паровые машины оснащены устройствами для контроля за котлом, такими как манометр и смотровое стекло для контроля уровня воды.
Многие двигатели, как стационарные, так и мобильные, также оснащены регулятором , позволяющим регулировать скорость двигателя без необходимости вмешательства человека.
Самым полезным инструментом для анализа производительности паровых двигателей является индикатор парового двигателя. Ранние версии использовались к 1851 году, [56] но самый успешный индикатор был разработан для изобретателя и производителя высокоскоростных двигателей Чарльза Портера Чарльзом Ричардом и выставлен на Лондонской выставке в 1862 году. [30] Индикатор парового двигателя отслеживает на бумаге давление в цилиндре на протяжении всего цикла, что может быть использовано для выявления различных проблем и расчета развиваемой мощности. [57] Он обычно использовался инженерами, механиками и страховыми инспекторами. Индикатор двигателя также может использоваться на двигателях внутреннего сгорания. Смотрите изображение диаграммы индикатора ниже (в разделе Типы двигательных агрегатов ).
Центробежный регулятор был принят Джеймсом Уаттом для использования в паровой машине в 1788 году после того, как партнер Уатта Болтон увидел его на оборудовании мельницы, которую строили Болтон и Уатт . [58] Регулятор фактически не мог удерживать заданную скорость, поскольку он принимал новую постоянную скорость в ответ на изменения нагрузки. Регулятор был способен обрабатывать небольшие изменения, такие как те, которые были вызваны колебаниями тепловой нагрузки на котел. Кроме того, существовала тенденция к колебаниям при каждом изменении скорости. Как следствие, двигатели, оснащенные только этим регулятором, не подходили для операций, требующих постоянной скорости, таких как прядение хлопка. [59] Регулятор со временем совершенствовался, и в сочетании с регулируемым отключением пара хорошее управление скоростью в ответ на изменения нагрузки было достигнуто ближе к концу 19 века.
В простом двигателе или «двигателе с одним расширением» заряд пара проходит через весь процесс расширения в отдельном цилиндре, хотя простой двигатель может иметь один или несколько отдельных цилиндров. [60] Затем он выпускается непосредственно в атмосферу или в конденсатор. По мере того, как пар расширяется, проходя через двигатель высокого давления, его температура падает, поскольку в систему не добавляется тепло; это известно как адиабатическое расширение и приводит к тому, что пар входит в цилиндр при высокой температуре и выходит при более низкой температуре. Это вызывает цикл нагрева и охлаждения цилиндра с каждым ходом, что является источником неэффективности. [61]
Основная потеря эффективности в поршневых паровых двигателях — это конденсация и повторное испарение в цилиндре. Паровой цилиндр и прилегающие металлические детали/порты работают при температуре, которая примерно посередине между температурой насыщения пара на входе и температурой насыщения, соответствующей давлению выхлопа. Когда пар высокого давления поступает в рабочий цилиндр, большая часть высокотемпературного пара конденсируется в виде капель воды на металлических поверхностях, что значительно снижает количество пара, доступного для работы расширения. Когда расширяющийся пар достигает низкого давления (особенно во время такта выпуска), ранее отложенные капли воды, которые только что образовались внутри цилиндра/портов, теперь выкипают (повторное испарение), и этот пар больше не выполняет работу в цилиндре. [ необходима 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. [62]
Метод уменьшения величины потери 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 высокого давления из котла расширяется в цилиндре высокого давления (ВД) , а затем поступает в один или несколько последующих цилиндров низкого давления (НД) . Полное расширение пара теперь происходит в нескольких цилиндрах, при этом общее падение температуры внутри каждого цилиндра значительно уменьшается. За счет расширения пара поэтапно с меньшим диапазоном температур (внутри каждого цилиндра) проблема эффективности конденсации и повторного испарения (описанная выше) уменьшается. Это уменьшает величину нагрева и охлаждения цилиндра, увеличивая эффективность двигателя. За счет поэтапного расширения в нескольких цилиндрах можно уменьшить изменения крутящего момента. [23] Для получения равной работы из цилиндра низкого давления требуется больший объем цилиндра, поскольку этот пар занимает больший объем. Поэтому диаметр цилиндра, а в редких случаях и ход поршня увеличиваются в цилиндрах низкого давления, что приводит к увеличению их размеров. [23]
Двигатели двойного расширения (обычно известные как составные ) расширяли пар в два этапа. Пары могли быть дублированы или работа большого цилиндра низкого давления могла быть разделена с одним цилиндром высокого давления, выпускающим воздух в один или другой, что давало трехцилиндровую компоновку, где диаметр цилиндра и поршня примерно одинаковы, что облегчало балансировку возвратно-поступательных масс. [23]
Двухцилиндровые соединения могут быть скомпонованы следующим образом:
В двухцилиндровых компаундах, используемых в железнодорожных работах, поршни соединены с кривошипами, как в двухцилиндровом простом двигателе, сдвинутом на 90° по фазе друг относительно друга ( четверть ). Когда группа двойного расширения дублируется, создавая четырехцилиндровый компаунд, отдельные поршни в группе обычно уравновешиваются на 180°, а группы устанавливаются на 90° друг относительно друга. В одном случае (первый тип компаунда Vauclain ) поршни работали в одной фазе, приводя в движение общую крейцкопф и кривошип, снова установленные на 90°, как для двухцилиндрового двигателя. В трехцилиндровом компаундном устройстве кривошипы LP были либо установлены на 90°, а HP на 135° относительно двух других, или в некоторых случаях все три кривошипа были установлены на 120°. [ необходима цитата ]
Принятие компаундирования было обычным для промышленных установок, для дорожных двигателей и почти всеобщим для судовых двигателей после 1880 года; оно не было повсеместно популярным в железнодорожных локомотивах, где оно часто воспринималось как сложное. Это отчасти из-за суровых условий эксплуатации железной дороги и ограниченного пространства, предоставляемого габаритом погрузки (особенно в Великобритании, где компаундирование никогда не было распространено и не применялось после 1930 года). Однако, хотя и не в большинстве, оно было популярно во многих других странах. [63]
Это логическое расширение составного двигателя (описанного выше) для разделения расширения на еще большее количество этапов для повышения эффективности. Результатом является двигатель многократного расширения . Такие двигатели используют либо три, либо четыре этапа расширения и известны как двигатели тройного и четверного расширения соответственно. Эти двигатели используют ряд цилиндров постепенно увеличивающегося диаметра. Эти цилиндры спроектированы так, чтобы разделить работу на равные доли для каждого этапа расширения. Как и в двигателе двойного расширения, если пространство в дефиците, то для этапа низкого давления можно использовать два меньших цилиндра. Двигатели многократного расширения обычно имели цилиндры, расположенные в ряд, но использовались и другие конструкции. В конце 19 века на некоторых морских двигателях тройного расширения использовалась «система» балансировки Ярроу-Шлика-Твиди . Двигатели YST разделяли этапы расширения низкого давления между двумя цилиндрами, по одному на каждом конце двигателя. Это позволило лучше сбалансировать коленчатый вал, что привело к более плавному, быстрому двигателю с меньшим уровнем вибрации. Это сделало четырехцилиндровый двигатель тройного расширения популярным на больших пассажирских лайнерах (таких как класс Olympic ), но в конечном итоге он был заменен практически безвибрационным турбинным двигателем. [ необходима цитата ] Однако следует отметить, что поршневые паровые двигатели тройного расширения использовались для привода кораблей Liberty времен Второй мировой войны , которые, безусловно, являются самым большим числом идентичных кораблей, когда-либо построенных. В Соединенных Штатах было построено более 2700 кораблей по оригинальному британскому проекту. [ необходима цитата ]
Изображение в этом разделе показывает анимацию двигателя тройного расширения. Пар проходит через двигатель слева направо. Клапанная коробка для каждого из цилиндров находится слева от соответствующего цилиндра. [ необходима цитата ]
Наземные паровые двигатели могли выпускать пар в атмосферу, поскольку питательная вода обычно была легкодоступна. До и во время Первой мировой войны двигатель расширения доминировал в морских приложениях, где высокая скорость судна не была существенной. Однако он был вытеснен британским изобретением паровой турбины там, где скорость была необходима, например, на военных кораблях, таких как линкоры-дредноуты , и океанских лайнерах . HMS Dreadnought 1905 года был первым крупным военным кораблем, который заменил проверенную технологию поршневого двигателя на тогда еще новую паровую турбину. [64]
В большинстве поршневых двигателей возвратно-поступательного движения пар меняет направление своего потока на каждом такте (противоток), входя и выходя с 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 коробки, прилегающей к цилиндру; клапаны распределяют пар, открывая и закрывая паровые порты, сообщающиеся с концом(ами) цилиндра, и приводятся в действие клапанным механизмом , которых существует много типов. [65]
Простейшие клапанные механизмы дают события фиксированной длины во время цикла двигателя и часто заставляют двигатель вращаться только в одном направлении. Многие, однако, имеют реверсивный механизм , который дополнительно может обеспечить средства для экономии пара, поскольку скорость и импульс набираются путем постепенного «сокращения отсечки » или, скорее, сокращения события впуска; это, в свою очередь, пропорционально удлиняет период расширения. Однако, поскольку один и тот же клапан обычно управляет обоими потоками пара, короткая отсечка на впуске отрицательно влияет на периоды выпуска и сжатия, которые в идеале всегда должны поддерживаться довольно постоянными; если событие выпуска слишком короткое, весь выхлопной пар не может эвакуировать цилиндр, забивая его и создавая чрезмерное сжатие ( «откат» ). [66]
В 1840-х и 1850-х годах предпринимались попытки преодолеть эту проблему с помощью различных патентованных клапанных передач с отдельным, регулируемым отсечным расширительным клапаном, установленным на задней стороне главного золотникового клапана; последний обычно имел фиксированное или ограниченное отсечение. Комбинированная установка давала справедливое приближение к идеальным событиям за счет повышенного трения и износа, а механизм имел тенденцию к усложнению. Обычным компромиссным решением было обеспечение перекрытия путем удлинения трущихся поверхностей клапана таким образом, чтобы перекрывать порт на стороне впуска, в результате чего сторона выпуска оставалась открытой в течение более длительного периода после того, как произошло отсечение на стороне впуска. Этот прием с тех пор в целом считался удовлетворительным для большинства целей и делает возможным использование более простых движений Стефенсона , Джоя и Вальсхартса . Корлисс и более поздние тарельчатые клапанные передачи имели отдельные впускные и выпускные клапаны, приводимые в действие механизмами отключения или кулачками, спрофилированными таким образом, чтобы давать идеальные события; Большинство этих шестеренок так и не добились успеха за пределами стационарного рынка из-за различных других проблем, включая утечку и более тонкие механизмы. [63] [67]
Прежде чем фаза выпуска будет полностью завершена, выпускная сторона клапана закрывается, перекрывая часть выхлопного пара внутри цилиндра. Это определяет фазу сжатия, где образуется подушка пара, против которой поршень работает, в то время как его скорость быстро уменьшается; кроме того, это устраняет шок давления и температуры, который в противном случае был бы вызван внезапным впуском пара высокого давления в начале следующего цикла. [ необходима цитата ]
Вышеуказанные эффекты еще больше усиливаются за счет обеспечения опережения : как было позже обнаружено в двигателе внутреннего сгорания , с конца 1830-х годов было обнаружено преимущество опережения фазы впуска, что давало опережение клапану, так что впуск происходил немного раньше конца такта выпуска, чтобы заполнить объем зазора, включающий порты и концы цилиндра (не являющиеся частью объема, охватываемого поршнем), прежде чем пар начнет оказывать усилие на поршень. [68]
Однопоточные двигатели пытаются устранить трудности, возникающие из обычного цикла противотока, где во время каждого такта порт и стенки цилиндра будут охлаждаться проходящим отработавшим паром, в то время как более горячий входящий пар будет тратить часть своей энергии на восстановление рабочей температуры. Целью однопоточного двигателя является устранение этого дефекта и повышение эффективности за счет предоставления дополнительного порта, открытого поршнем в конце каждого такта, заставляя пар течь только в одном направлении. Таким образом, однопоточный двигатель простого расширения обеспечивает эффективность, эквивалентную эффективности классических составных систем с дополнительным преимуществом превосходной производительности при частичной нагрузке и сопоставимой эффективностью с турбинами для меньших двигателей мощностью менее тысячи лошадиных сил. Однако градиент теплового расширения, создаваемый однопоточными двигателями вдоль стенки цилиндра, создает практические трудности. [ необходима цитата ] .
Паровая турбина состоит из одного или нескольких роторов (вращающихся дисков), установленных на приводном валу, чередующихся с серией статоров (статичных дисков), закрепленных на корпусе турбины. Роторы имеют пропеллероподобное расположение лопаток на внешнем крае. Пар воздействует на эти лопатки, производя вращательное движение. Статор состоит из аналогичного, но фиксированного ряда лопаток, которые служат для перенаправления потока пара на следующую ступень ротора. Паровая турбина часто выбрасывает пар в поверхностный конденсатор , который обеспечивает вакуум. Ступени паровой турбины обычно расположены так, чтобы извлекать максимальную потенциальную работу из определенной скорости и давления пара, что приводит к появлению серии ступеней высокого и низкого давления различного размера. Турбины эффективны только в том случае, если они вращаются с относительно высокой скоростью, поэтому они обычно подключаются к редуктору для привода устройств с более низкой скоростью, таких как гребной винт судна. На подавляющем большинстве крупных электростанций турбины напрямую подключаются к генераторам без редуктора. Типичные скорости составляют 3600 оборотов в минуту (RPM) в Соединенных Штатах с мощностью 60 Гц и 3000 оборотов в минуту в Европе и других странах с электроэнергетическими системами 50 Гц. В ядерной энергетике турбины обычно работают на половине этих скоростей, 1800 об/мин 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. [ необходима цитата ]
Паровые турбины обеспечивают прямую вращательную силу и поэтому не требуют механизма связи для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное. Таким образом, они создают более плавные вращательные силы на выходном валу. Это способствует снижению потребности в техническом обслуживании и меньшему износу оборудования, которое они приводят в действие, чем сопоставимый поршневой двигатель. [ необходима цитата ]
Основное применение паровых турбин — производство электроэнергии (в 1990-х годах около 90% мирового производства электроэнергии производилось с помощью паровых турбин) [5] , однако недавнее широкое применение крупных газотурбинных установок и типичных электростанций с комбинированным циклом привело к снижению этого процента до 80% для паровых турбин. В производстве электроэнергии высокая скорость вращения турбины хорошо сочетается со скоростью современных электрогенераторов, которые обычно напрямую соединены с их приводными турбинами. В морской эксплуатации (впервые применены на Turbinia ) паровые турбины с редуктором (хотя Turbinia имеет прямые турбины к винтам без редуктора) доминировали в крупных судовых двигателях в конце 20-го века, будучи более эффективными (и требующими гораздо меньшего обслуживания), чем поршневые паровые двигатели. В последние десятилетия поршневые дизельные двигатели и газовые турбины почти полностью вытеснили паровые двигатели для морских применений. [ необходима ссылка ]
Практически все атомные электростанции вырабатывают электроэнергию, нагревая воду для получения пара, который приводит в действие турбину, соединенную с электрогенератором . Атомные корабли и подводные лодки либо используют паровую турбину непосредственно для главного движения, с генераторами, обеспечивающими вспомогательную мощность, либо используют турбоэлектрическую трансмиссию , где пар приводит в действие турбогенераторную установку с тягой, обеспечиваемой электродвигателями. Было изготовлено ограниченное количество паротурбинных железнодорожных локомотивов . Некоторые неконденсационные локомотивы с прямым приводом имели определенный успех для дальних грузовых перевозок в Швеции и для экспресс-пассажирских перевозок в Великобритании , но не были повторены. В других местах, особенно в Соединенных Штатах, более совершенные конструкции с электрической трансмиссией были построены экспериментально, но не воспроизведены. Было обнаружено, что паровые турбины не идеально подходят для железнодорожной среды, и эти локомотивы не смогли вытеснить классический поршневой паровой агрегат так, как это сделали современные дизельные и электрические тяги. [ требуется ссылка ]
Паровой двигатель с качающимся цилиндром — это вариант простого парового двигателя с расширением, которому не требуются клапаны для направления пара в цилиндр и из него. Вместо клапанов весь цилиндр качается или колеблется, так что одно или несколько отверстий в цилиндре совпадают с отверстиями в неподвижной поверхности порта или в опоре шарнира ( цапфе ). Эти двигатели в основном используются в игрушках и моделях из-за их простоты, но также использовались в полноразмерных рабочих двигателях, в основном на судах , где ценится их компактность. [69]
Можно использовать механизм, основанный на беспоршневом роторном двигателе , таком как двигатель Ванкеля, вместо цилиндров и клапанного механизма обычного поршневого парового двигателя. Было разработано много таких двигателей со времен Джеймса Уатта и до наших дней, но относительно немногие были фактически построены, и еще меньше пошли в серийное производство; см. ссылку внизу статьи для получения более подробной информации. Основная проблема заключается в сложности герметизации роторов, чтобы сделать их паронепроницаемыми перед лицом износа и теплового расширения ; возникающая утечка делала их очень неэффективными. Отсутствие расширяющейся работы или каких-либо средств управления отсечкой также является серьезной проблемой для многих таких конструкций. [ необходима цитата ]
К 1840-м годам стало ясно, что концепция имеет присущие ей проблемы, и роторные двигатели были встречены с некоторой насмешкой в технической прессе. Однако, появление электричества и очевидные преимущества приведения в действие динамо-машины непосредственно от высокоскоростного двигателя привели к некоторому возрождению интереса в 1880-х и 1890-х годах, и несколько конструкций имели некоторый ограниченный успех. [ необходима цитата ] .
Из немногих конструкций, которые производились в больших количествах, следует отметить двигатели компании Hult Brothers Rotary Steam Engine Company из Стокгольма, Швеция, и сферический двигатель Beauchamp Tower . Двигатели Tower использовались Great Eastern Railway для приведения в действие динамо-машин освещения на своих локомотивах, а также Адмиралтейством для приведения в действие динамо-машин на борту кораблей Королевского флота . В конечном итоге в этих нишевых приложениях их заменили паровые турбины. [ необходима цитата ]
Эолипил представляет собой использование пара по принципу ракетной реакции , хотя и не для прямого движения. [ необходима цитата ]
В более современные времена пар использовался в ракетной технике ограниченно, особенно в ракетных автомобилях. Паровая ракетная техника работает, заполняя сосуд под давлением горячей водой под высоким давлением и открывая клапан, ведущий к подходящему соплу. Падение давления немедленно закипает часть воды, и пар выходит через сопло, создавая движущую силу. [70]
В 1679 году экипаж Фердинанда Вербиста был оснащен эолипилом. [ необходима цитата ]
Паровые двигатели оснащены котлами и другими компонентами, которые являются сосудами под давлением , содержащими большое количество потенциальной энергии. Утечки пара и взрывы котлов (обычно BLEVE ) могут и в прошлом приводили к большим потерям жизни. Хотя в разных странах могут существовать различия в стандартах, для обеспечения безопасности применяются строгие правовые, испытательные, обучающие, строгие требования к производству, эксплуатации и сертификации. [ необходима цитата ]
Виды отказов могут включать в себя:
Паровые двигатели часто имеют два независимых механизма для обеспечения того, чтобы давление в котле не поднималось слишком высоко; один может быть отрегулирован пользователем, второй обычно спроектирован как окончательное отказоустойчивое. Такие предохранительные клапаны традиционно использовали простой рычаг для ограничения запорного клапана в верхней части котла. Один конец рычага нес груз или пружину, которая удерживала клапан от давления пара. Ранние клапаны могли регулироваться машинистами, что приводило ко многим несчастным случаям, когда машинист закреплял клапан, чтобы обеспечить большее давление пара и большую мощность двигателя. Более поздний тип предохранительного клапана использует регулируемый подпружиненный клапан, который заблокирован таким образом, что операторы не могут вмешиваться в его регулировку, если только пломба не будет незаконно нарушена. Такое расположение значительно безопаснее. [ необходима цитата ]
В верхней части топки котла могут находиться свинцовые плавкие пробки . Если уровень воды падает, так что температура верхней части топки значительно увеличивается, свинец плавится и пар выходит, предупреждая операторов, которые затем могут вручную потушить пожар. За исключением самых маленьких котлов, выход пара мало влияет на тушение пожара. Пробки также слишком малы по площади, чтобы значительно снизить давление пара, что приводит к разгерметизации котла. Если бы они были больше, объем выходящего пара сам по себе представлял бы опасность для экипажа. [ необходима цитата ]
Цикл Ренкина является фундаментальной термодинамической основой парового двигателя. Цикл представляет собой набор компонентов, которые обычно используются для простого производства энергии, и использует фазовый переход воды (кипение воды, производящей пар, конденсация отработанного пара, производство жидкой воды) для обеспечения практической системы преобразования тепла в энергию. 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 Ренкина , шотландского полимата . [71]
Цикл Ренкина иногда называют практическим циклом Карно , потому что при использовании эффективной турбины диаграмма TS начинает напоминать цикл Карно. Главное отличие состоит в том, что подвод тепла (в котле) и отвод (в конденсаторе) являются изобарическими (постоянное давление) процессами в цикле Ренкина и изотермическими (постоянная температура ) процессами в теоретическом цикле Карно. В этом цикле насос используется для нагнетания давления рабочей жидкости, которая поступает из конденсатора в виде жидкости, а не газа. Перекачивание рабочей жидкости в жидкой форме во время цикла требует небольшой доли энергии для ее транспортировки по сравнению с энергией, необходимой для сжатия рабочей жидкости в газообразной форме в компрессоре (как в цикле Карно ). Цикл поршневого парового двигателя отличается от цикла турбин из-за конденсации и повторного испарения, происходящих в цилиндре или в каналах впуска пара. [61]
Рабочая жидкость в цикле Ренкина может работать как замкнутая система, где рабочая жидкость непрерывно рециркулируется, или может быть системой «открытого цикла», где отработанный пар напрямую выбрасывается в атмосферу, а отдельный источник воды подается в котел. Обычно вода является предпочтительной жидкостью из-за ее благоприятных свойств, таких как нетоксичная и инертная химия, распространенность, низкая стоимость и ее термодинамические свойства . Ртуть является рабочей жидкостью в турбине на ртутных парах . Низкокипящие углеводороды могут использоваться в бинарном цикле . [ необходима цитата ] [72]
Паровая машина внесла большой вклад в развитие термодинамической теории; однако, единственными приложениями научной теории, которые повлияли на паровую машину, были оригинальные концепции использования силы пара и атмосферного давления и знания свойств тепла и пара. Экспериментальные измерения, проведенные Уаттом на модели паровой машины, привели к разработке отдельного конденсатора. Уатт независимо открыл скрытую теплоту , что было подтверждено первооткрывателем Джозефом Блэком , который также консультировал Уатта по экспериментальным процедурам. Уатт также знал об изменении точки кипения воды в зависимости от давления. В противном случае улучшения самого двигателя были более механическими по своей природе. [19] Термодинамические концепции цикла Ренкина действительно дали инженерам понимание, необходимое для расчета эффективности, что помогло в разработке современных котлов высокого давления и температуры и паровой турбины. [ необходима цитата ]
Эффективность цикла двигателя можно рассчитать, разделив выходную энергию механической работы, производимой двигателем, на энергию, поступающую в двигатель.
Исторической мерой энергетической эффективности парового двигателя была его «доля». Понятие «доля» было впервые введено Уаттом, чтобы проиллюстрировать, насколько эффективнее были его двигатели по сравнению с более ранними конструкциями Ньюкомена . Дача — это количество футо-фунтов работы , выполненной при сжигании одного бушеля (94 фунта) угля. Лучшие образцы конструкций Ньюкомена имели мощность около 7 миллионов, но большинство были ближе к 5 миллионам. Первоначальные конструкции низкого давления Уатта могли обеспечить мощность до 25 миллионов, но в среднем составляли около 17. Это было трехкратным улучшением по сравнению со средней конструкцией Ньюкомена. Ранние двигатели Уатта, оснащенные паром высокого давления, увеличили ее до 65 миллионов. [73]
Ни один тепловой двигатель не может быть эффективнее цикла Карно , в котором тепло перемещается из высокотемпературного резервуара в резервуар с низкой температурой, а эффективность зависит от разницы температур. Для наибольшей эффективности паровые двигатели должны работать при максимально возможной температуре пара ( перегретый пар ) и отдавать отработанное тепло при максимально возможной низкой температуре. [ необходима цитата ]
Эффективность цикла Ренкина обычно ограничивается рабочей жидкостью. Если давление не достигает сверхкритических уровней для рабочей жидкости, 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 теоретическую эффективность Карно около 63% по сравнению с фактической эффективностью 42% для современной угольной электростанции . 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 парогазовых электростанциях. [ необходима цитата ]
Одним из основных преимуществ цикла Ренкина перед другими является то, что на этапе сжатия требуется относительно небольшая работа для приведения в действие насоса, поскольку в этот момент рабочая жидкость находится в жидкой фазе. При конденсации жидкости работа, требуемая насосом, потребляет всего 1–3% мощности турбины (или поршневого двигателя) и способствует гораздо более высокой эффективности для реального цикла. Преимущество этого несколько теряется из-за более низкой температуры подводимого 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 довольно хорошо согласована. [74]
На практике цикл поршневого парового двигателя, выпускающий пар в атмосферу, обычно имеет эффективность (включая котел) в диапазоне 1–10%. Однако с добавлением конденсатора, клапанов Корлисса, многократного расширения и высокого давления/температуры пара ее можно значительно улучшить. Исторически в диапазоне 10–20% и очень редко немного выше. [ необходима цитата ]
Современная крупная электростанция (производящая несколько сотен мегаватт электроэнергии) с промежуточным перегревом пара , экономайзером и т. д. достигнет эффективности в диапазоне около 40%, а наиболее эффективные блоки приближаются к 50% тепловой эффективности. [ необходима 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. [ необходима ссылка ]
Город на юге Уэльса начал месяцы празднований в честь 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 железного мастера
