Паровой роторный двигатель Тверского — коловратная паровая машина. Появление универсального парового двигателя Паровой двигатель принцип работы и действия
Изобретение паровых машин стало переломным моментом в истории человечества. Где-то на рубеже XVII-XVIII веков началась замена малоэффективного ручного труда, водяных колес и на совершенно новые и уникальные механизмы - паровые двигатели. Именно благодаря им стали возможны техническая и промышленная революции, да и весь прогресс человечества.
Но кто изобрел паровую машину? Кому человечество этим обязано? И когда это было? На все эти вопросы и постараемся найти ответы.
Еще до нашей эры
История создания паровой машины начинается еще в первых столетиях до нашей эры. Герон Александрийский описал механизм, который начинал работать только тогда, когда на него воздействовал пар. Устройство представляло собой шар, на котором были закреплены сопла. Из сопел по касательной выходил пар, тем самым заставляя двигатель вращаться. Это было первое устройство, которое работало на пару.
Создатель паровой машины (а точнее, турбины) - Таги-аль-Диноме (арабский философ, инженер и астроном). Его изобретение стало широко известно в Египте в XVI веке. Механизм был устроен следующим образом: потоки пара направляли прямо на механизм с лопастями, и когда дым валил - лопасти вращались. Нечто подобное в 1629 году предлагал и итальянский инженер Джованни Бранка. Главным недостатком всех этих изобретений был слишком большой расход пара, что в свою очередь требовало огромных затрат энергии и не было целесообразно. Разработки были приостановлены, так как тогдашних научных и технических знаний человечества было недостаточно. Кроме того, надобность в таких изобретениях напрочь отсутствовала.
Разработки
До XVII века создание паровой машины было невозможно. Но как только планка уровня развития человечества взлетела, тут же появились и первые экземпляры и изобретения. Хотя серьезно их никто на тот момент не воспринял. Так, например, в 1663 году английский ученый опубликовал в прессе проект своего изобретения, которое он установил в замке Реглан. Его устройство служило для того, чтобы поднимать воду на стены башен. Однако, как и все новое и неизведанное, данный проект был принят с сомнением, и спонсоров для его дальнейших разработок не нашлось.
История создания паровой машины начинается с изобретения пароатмосферной машины. В 1681 году ученый из Франции изобрел устройство, которое откачивало воду из шахт. В качестве движущей силы в первое время применялся порох, а затем его заменили на водяной пар. Так появилась пароатмосферная машина. Огромный вклад в ее усовершенствование внесли ученые из Англии Томас Ньюкомен и Томас Северен. Неоценимую помощь также оказал русский изобретатель-самоучка Иван Ползунов.
Неудавшаяся попытка Папена
Пароатмосферная машина, далекая в то время от совершенства, привлекла особое внимание в судостроительной области. Д. Папен свои последние сбережения потратил на приобретение небольшого судна, на котором занялся установкой водоподъемной пароатмосферной машины собственного производства. Механизм действия заключался в том, чтобы, падая с высоты, вода начинала вращать колеса.
Свои испытания изобретатель проводил в 1707 году на реке Фульде. Много народу собралось, чтобы посмотреть на чудо: двигающееся по реке судно без парусов и весел. Однако во время испытаний произошла катастрофа: взорвался двигатель и погибли несколько человек. Власти разозлились на неудачливого изобретателя и запретили ему какие-либо работы и проекты. Судно конфисковали и разрушили, а через несколько лет скончался и сам Папен.
Ошибка
У парохода Папена был следующий принцип работы. На дно цилиндра необходимо было залить небольшое количество воды. Под самим цилиндром располагалась жаровня, которая служила для нагревания жидкости. Когда вода начинала кипеть, образующийся пар, расширяясь, поднимал поршень. Из пространства над поршнем через специально оборудованный клапан выталкивался воздух. После того как вода закипала и начинал валить пар, необходимо было убрать жаровню, закрыть клапан, чтобы удалить воздух, и при помощи прохладной воды охладить стенки цилиндра. Благодаря таким действиям пар, находившийся в цилиндре, конденсировался, под поршнем образовывалось разрежение, и благодаря силе атмосферного давления поршень вновь возвращался на свое первоначальное место. Во время его движения вниз и совершалась полезная работа. Однако КПД паровой машины Папена был отрицательным. Двигатель парохода был крайне неэкономичен. А главное, он был слишком сложным и неудобным в эксплуатации. Поэтому изобретение Папена не имело будущего уже с самого начала.
Последователи
Однако история создания паровой машины на этом не закончилась. Следующим, уже гораздо более удачливым, чем Папен, оказался английский ученый Томас Ньюкомен. Он долго изучал работы своих предшественников, делая упор на слабые места. И взяв самое лучшее из их работ, создал в 1712 году свой аппарат. Новая паровая машина (фото представлено) была сконструирована следующим образом: использовались цилиндр, находившийся в вертикальном положении, а также поршень. Это Ньюкомен взял из работ Папена. Однако пар образовывался уже в другом котле. Вокруг поршня закреплялась цельная кожа, что значительно повышало герметичность внутри парового цилиндра. Данная машина также была пароатмосферной (вода поднималась из шахты при помощи атмосферного давления). Главными минусами изобретения были его громоздкость и неэкономичность: машина «съедала» огромное количество угля. Однако пользы она приносила значительно больше, чем изобретение Папена. Поэтому ее почти пятьдесят лет применяли в подземельях и шахтах. Ее использовали для откачивания грунтовых вод, а также для осушки кораблей. пытался преобразовать свою машину так, чтобы была возможность применять ее для движения транспорта. Однако все его попытки не увенчались успехом.
Следующим ученым, заявившим о себе, стал Д. Хулл из Англии. В 1736 году он представил миру свое изобретение: пароатмосферную машину, у которой в качестве движителя были лопастные колеса. Его разработка оказал более удачной, чем у Папена. Сразу же было выпущено несколько таких суден. В основном они использовались для того, чтобы буксировать баржи, корабли и другие суда. Однако надежность пароатмосферной машины не вызывала доверия, и суда оборудовали парусами как основным движителем.
И хотя Хуллу повезло больше, чем Папену, его изобретения постепенно потеряли актуальность, и от них отказались. Все-таки у пароатмосферных машин того времени было множество специфических недостатков.
История создания паровой машины в России
Следующий прорыв случился в Российской Империи. В 1766 году на металлургическом заводе в Барнауле была создана первая паровая машина, которая подавала в плавильные печи воздух при помощи специальных воздуходувных мехов. Создателем ее стал Иван Иванович Ползунов, которому за заслуги перед родиной даже дали офицерское звание. Изобретатель представил своему начальству чертежи и планы «огненной машины», способной приводить в действие воздуходувные мехи.
Однако судьба сыграла с Ползуновым злую шутку: через семь лет после того, как его проект был принят, а машина собрана, он заболел и умер от чахотки - всего за неделю до того, как начались испытания его двигателя. Однако его инструкций оказалось достаточно, чтобы завести двигатель.
Итак, 7 августа 1766 года паровая машина Ползунова была запущена и поставлена под нагрузку. Однако уже в ноябре того же года она сломалась. Причиной оказались слишком тонкие стенки котла, не предназначенного для нагрузки. Причем изобретатель в своих инструкциях писал, что этот котел можно использовать только во время испытаний. Изготовление нового котла легко бы окупилось, ведь КПД паровой машины Ползунова был положительный. За 1023 часа работы с ее помощью выплавили серебра 14 с лишним пудов!
Но несмотря на это, никто ремонтировать механизм не стал. Паровая машина Ползунова пылилась более 15 лет на складе, пока мир промышленности не стоял на месте и развивался. А потом и вовсе была разобрана на запчасти. Видимо, в тот момент Россия еще не доросла до паровых двигателей.
Требования времени
Между тем жизнь на месте не стояла. И человечество постоянно задумывалось над тем, чтобы создать механизм, позволяющий не зависеть от капризной природы, а самим управлять судьбой. От паруса все хотели отказаться как можно быстрее. Поэтому вопрос о создании парового механизма постоянно висел в воздухе. В 1753 году в Париже был выдвинут конкурс среди мастеров, ученых и изобретателей. Академия наук объявила награду тому, кто сможет создать механизм, способный заменить силу ветра. Но несмотря на то что в конкурсе участвовали такие умы, как Л. Эйлер, Д. Бернулли, Кантон де Лакруа и другие, дельного предложения не вынес никто.
Годы шли. И промышленная революция накрывала все больше и больше стран. Первенство и лидерство среди других держав доставалось неизменно Англии. К концу восемнадцатого века именно Великобритания стала создательницей крупной промышленности, благодаря чему завоевала титул всемирной монополистки в данной отрасли. Вопрос о механическом двигателе с каждым днем становился все более актуальным. И такой двигатель был создан.
Первая паровая машина в мире
1784 год стал для Англии и для всего мира переломным моментом в промышленной революции. И человеком, ответственным за это, стал английский механик Джеймс Уатт. Паровая машина, которую он создал, стала самым громким открытием века.
На протяжении нескольких лет изучал чертежи, строение и принципы работы пароатмосферных машин. И на основании всего этого он сделал вывод, что для эффективности работы двигателя необходимо сравнять температуры воды в цилиндре и пара, который попадает в механизм. Главный минус пароатмосферных машин заключался в постоянной необходимости охлаждения цилиндра водой. Это было расходно и неудобно.
Новая паровая машина была сконструирована иным образом. Так, цилиндр заключался в специальную рубашку из пара. Таким образом Уатт добился его постоянного нагретого состояния. Изобретатель создал специальный сосуд, погруженный в холодную воду (конденсатор). К нему трубой присоединялся цилиндр. Когда пар отрабатывался в цилиндре, то через трубу попадал в конденсатор и там превращался обратно в воду. Работая над усовершенствованием своей машины, Уатт создал разрежение в конденсаторе. Таким образом, весь пар, попадавший из цилиндра, конденсировался в нем. Благодаря этому нововведению очень сильно увеличивался процесс расширения пара, что в свою очередь позволяло извлекать из того же количества пара намного больше энергии. Это был венец успеха.
Создатель паровой машины также изменил и принцип подачи воздуха. Теперь пар попадал сначала под поршень, тем самым поднимая его, а затем собирался над поршнем, опуская. Таким образом, оба хода поршня в механизме стали рабочими, что ранее даже не представлялось возможным. А расход угля на одну лошадиную силу был в четыре раза меньше, чем, соответственно, у пароатмосферных машин, чего и добивался Джеймс Уатт. Паровая машина очень быстро завоевала сначала Великобританию, ну а затем и целый мир.
«Шарлотта Дандас»
После того как весь мир был поражен изобретением Джеймса Уатта, началось широкое применение паровых машин. Так, в 1802 году в Англии появился первый корабль на пару - катер «Шарлотта Дандас». Его создателем считается Уильям Саймингтон. Катер применялся в качестве буксировки барж по каналу. Роль движителя на судне играло гребное колесо, установленное на корме. Катер с первого раза успешно прошел испытания: отбуксировал две огромные баржи на 18 миль за шесть часов. При этом ему сильно мешал встречный ветер. Но он справился.
И все-таки его поставили на прикол, потому что опасались, что из-за сильных волн, которые создавались под гребным колесом, берега канала будут размыты. Кстати, на испытаниях «Шарлотты» присутствовал человек, которого весь мир сегодня считает создателем первого парохода.
в мире
Английский судостроитель с юношеских лет мечтал о судне с паровым двигателем. И вот его мечта стала осуществима. Ведь изобретение паровых машин стало новым толчком в судостроительстве. Вместе с посланником из Америки Р. Ливингстоном, который взял на себя материальную сторону вопроса, Фултон занялся проектом корабля с паровой машиной. Это было сложное изобретение, основанное на идее весельного движителя. По бортам судна тянулись в ряд плицы, имитирующие множество весел. При этом плицы то и дело мешали друг другу и ломались. Сегодня можно с легкостью сказать, что тот же эффект мог быть достигнут всего при трех-четырех плицах. Но с позиции науки и техники того времени это увидеть было нереально. Поэтому судостроителям приходилось намного сложнее.
В 1803 году изобретение Фултона было представлено всему миру. Пароход медленно и ровно шел по Сене, поражая умы и воображение многих ученых и деятелей Парижа. Однако правительство Наполеона отвергло проект, и раздосадованные судостроители вынуждены были искать счастья в Америке.
И вот в августе 1807 года первый в мире пароход под названием «Клермонт», в котором была задействована мощнейшая паровая машина (фото представлено), пошел по Гудзонскому заливу. Многие тогда просто не верили в успех.
В свой первый рейс «Клермонт» отправился без грузов и без пассажиров. Никто не хотел отправляться в путешествие на борту огнедышащего судна. Но уже на обратном пути появился первый пассажир - местный фермер, заплативший шесть долларов за билет. Он стал первым пассажиром в истории пароходства. Фултон был так сильно растроган, что предоставил смельчаку пожизненный бесплатный проезд на всех своих изобретениях.
Наткнулся на интересную статью в интернете.
"Американский изобретатель Роберт Грин разработал абсолютно новую технологию, генерирующую кинетическую энергию путем преобразования остаточной энергии (как и других видов топлива). Паровые двигатели Грина усилены поршнем и сконструированы для широкого спектра практических целей.
"
Вот так, ни больше ни меньше: абсолютно новая технология. Ну естественно стал смотреть, пытался вникнуть. Везде написано, одним из наиболее уникальных преимуществ этого двигателя является способность генерировать энергию из остаточной энергии двигателей. Точнее говоря, остаточная выхлопная энергия двигателя может быть преобразована для энергии, идущей к насосам и охлаждающим системам агрегата.
Ну и что из этого, как я понял выхлопными газами доводить воду до кипения и потом преобразовывать пар в движение. Насколько это необходимо и малозатратно, ведь… хоть этот двигатель, как пишут, и специально разработан из минимального количества деталей, но все таки он сколько то да и стоит и есть ли вообще смысл огород городить, тем более принципиально нового в этом изобретении я не вижу. А механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное уже придумано очень много. На сайте автора двухцилинровая модель продаестя, в принципе не дорого 
всего 46 долларов.
На сайте автора есть видео с использованием солнечной энергии, так же есть фото где некто на лодке использует этот двигатель. 
Но в обоих случаях это явно не остаточное тепло. Короче я сомневаюсь в надежности такого двигателя: «Шаровые же опоры одновременно являются полыми каналами, по которым в цилиндры подаётся пар.»
А каково ваше мнение, уважаемые пользователи сайта?
Статьи на русском
12 апреля 1933 г. Уильям Беслер стартовал с муниципального аэродрома города Окленд в Калифорнии на самолете с паровым двигателем.
Газеты написали:
«Взлет был нормальным во всех отношениях, за исключением отсутствия шума. Фактически, когда самолет уже отделился от земли, наблюдателям казалось, что он не набрал еще достаточной скорости. На полной мощности шум был заметен не более, чем при планирующем самолете. Можно было слышать только свист воздуха. При работе на полном паре винт производил только небольшой шум. Можно было различать через шум винта звук пламени... 
Когда самолет шел на посадку и пересекал границу поля, то винт останавливался и пускался медленно в обратную сторону с помощью перевода реверса и последующего малого открывания дросселя. Даже при очень медленном обратном вращении винта снижение заметно становилось круче. Немедленно после касания земли пилот давал полный задний ход, который вместе с тормозами быстро останавливал машину. Краткий пробег особенно был заметен в этом случае, так как во время испытания была безветренная погода, и обычно пробег при посадке достигал нескольких сот футов».
В начале XX века рекорды высоты, достигнутой самолетами, ставились чуть ли не ежегодно: 
Стратосфера сулила немалые выгоды для полета: меньшее сопротивление воздуха, постоянство ветров, отсутствие облачности, скрытность, недосягаемость для ПВО. Но как взлететь на высоту, например, 20 километров?
Мощность [бензинового] мотора падает быстрее, чем плотность воздуха. 
На высоте 7000 м мощность мотора уменьшается почти в три раза. С целью повышения высотных качеств самолетов еще в конце империалистической войны делались попытки применять наддув, в период 1924-1929 гг. нагнетатели еще больше внедряются в производство. Однако обеспечить сохранение мощности двигателя внутреннего сгорания на высотах свыше 10 км становится все труднее.
Стремясь поднять «предел высоты», конструкторы всех стран все чаще и чаще обращают свои взоры на паровую машину, имеющую ряд преимуществ в качестве высотного двигателя. Отдельные страны, как, например, Германию, толкнули на этот путь и стратегические соображения, а именно - необходимость на случай большой войны добиться независимости от привозной нефти.
За последние годы были сделаны многочисленные попытки установить паровой двигатель на самолет. Быстрый рост авиационной промышленности накануне кризиса и монопольные цены на ее продукцию позволили не спешить с реализацией опытных работ и накопившихся изобретений. Эти попытки, принявшие особый размах в период экономического кризиса 1929-1933 гг. и наступившей затем депрессии, - не случайное явление для капитализма. В печати, в особенности в Америке и Франции, часто бросались упреки крупным концернам о наличии у них соглашений об искусственной задержке реализации новых изобретений.
Наметились два направления. Одно представлено в Америке Беслером, установившим на самолет обычную поршневую машину, другое же обусловлено применением турбины в качестве авиационного двигателя и связано, главным образом, с работами немецких конструкторов.
Братья Беслер взяли за основу поршневую паровую машину Добля для автомобиля и установили ее на биплан Тревел-Эр [описание их демонстрационного полета приведено в начале поста].
Видео того полета:
Машина снабжена реверсивным механизмом, при помощи которого можно легко и быстро изменять направление вращения вала машины не только в полете, но и при посадке самолета. Двигатель помимо пропеллера приводит в движение через соединительную муфту вентилятор, нагнетающий воздух в горелку. При старте пользуются небольшим электрическим моторчиком. 
Машина развивала мощность в 90 л.с., но в условиях известной форсировки котла ее мощность можно довести до 135 л. с.
Давление пара в котле 125 aт. Температура пара поддерживалась около 400-430°. В целях максимальной автоматизации работы котла был применен нормализатор или прибор, помощью которого вода впрыскивалась под известным давлением в перегреватель, как только температура пара превышала 400°. Котел был снабжен питательным насосом и паровым приводом, а также первичным и вторичным подогревателями питающей воды, обогреваемыми отработанным паром. 
На самолете были установлены два конденсатора. Более мощный переделан из радиатора мотора ОХ-5 и установлен сверху фюзеляжа. Менее мощный сделан из конденсатора парового автомобиля Добля и расположен под фюзеляжем. Производительность конденсаторов, как утверждали в печати, оказалась недостаточной для работы паровой машины на полном дросселе без выпуска в атмосферу «и приблизительно соответствовала 90% крейсерской мощности». Опыты показали, что при расходе 152 л горючего необходимо было иметь 38 л воды.
Общий вес паровой установки самолета составлял 4,5 кг на 1 л. с. По сравнению с мотором ОХ-5, работавшим на этом самолете, это давало лишний вес в 300 фунтов (136 кг). Не подлежит сомнению, что вес всей установки мог быть значительно снижен при облегчении деталей двигателя и конденсаторов.
Топливом служил газойль. В печати утверждали, что «между включением зажигания и пуском на полный ход прошло не более 5 мин.».
Другое направление в развитии паросиловой установки для авиации связано с использованием паровой турбины в качестве двигателя.
В 1932-1934 гг. в иностранную печать проникли сведения о сконструированной в Германии на электрозаводе Клинганберга оригинальной паровой турбине для самолета. Автором ее называли главного инженера этого завода Хютнера.
Парообразователь и турбина вместе с конденсатором здесь были объединены в один вращающийся агрегат, имеющий общий корпус. Хютнер замечает: «Двигатель представляет силовую установку, отличительная характерная особенность которой состоит в том, что вращающийся генератор пара образует одно конструктивное и эксплоатационное целое с вращающейся в противоположном направлении турбиной и конденсатором».
Основной частью турбины является вращающийся котел, образованный из целого ряда V-образных трубок, причем одно колено этих трубок соединено с коллектором для питательной воды, другое - с паросборником. Котел показан на фиг. 143.
Трубки расположены радиально вокруг оси и вращаются со скоростью в 3000-5000 об/мин. Поступающая в трубки вода устремляется под действием центробежной силы в левые ветви V-образных трубок, правое колено которых выполняет роль генератора пара. Левое колено трубок имеет ребра, нагреваемые пламенем от форсунок. Вода, проходя мимо этих ребер, превращается в пар, причем под действием центробежных сил, возникающих при вращении котла, происходит повышение давления пара. Давление регулируется автоматически. Разность плотностей в обеих ветвях трубок (пар и вода) дает переменную разность уровней, являющуюся функцией центробежной силы, а следовательно, и скорости вращения. Схема такого агрегата показана на фиг. 144.
Особенностью конструкции котла является расположение трубок, при котором во время вращения создается разрежение в камере сгорания, и таким образом котел выполняет как бы роль всасывающего вентилятора. Таким образом, как утверждает Хютнер, «вращением котла обусловливаются одновременно и питание его, и движение горячих газов, и движение охлаждающей воды».
Пуск турбины в ход требует всего 30 сек. Хютнер рассчитывал получить к. п. д. котла 88% и к. п. д. турбины 80%. Турбина и котел нуждаются для запуска в пусковых моторах.
В 1934 г. в печати промелькнуло сообщение о разработке проекта большого самолета в Германии, оборудованного турбиной с вращающимся котлом. Два года спустя во французской прессе утверждали, что в условиях большой засекреченности военным ведомством в Германии построен специальный самолет. Для него сконструирована паросиловая установка системы Хютнера мощностью в 2500 л. с. Длина самолета 22 м, размах крыльев 32 м, полетный вес (приблизительный) 14 т, абсолютный потолок самолета 14000 м, скорость полета на высоте в 10000 м - 420 км/час, подъем на высоту 10 км - 30 минут.
Весьма возможно, что эти сообщения в печати значительно преувеличены, но несомненно, что германские конструкторы работают над этой проблемой, и предстоящая война может здесь принести неожиданные сюрпризы.
В чем же заключается преимущество турбины перед двигателем внутреннего сгорания?
1. Отсутствие возвратно-поступательного движения при высоких скоростях вращения позволяет сделать турбину довольно компактной и меньших размеров, нежели современные мощные авиационные моторы.
2. Важным преимуществом является также относительная бесшумность работы парового двигателя, что важно как с точки зрения военной, так и в смысле возможности облегчения самолета за счет звукоизолирующего оборудования на пассажирских самолетах.
3. Паровая турбина, не в пример моторам внутреннего сгорания, почти не допускающим перегрузки, может быть перегружаема на короткий период до 100% при постоянной скорости. Это преимущество турбины дает возможность уменьшить длину разбега самолета и облегчает его подъем в воздух.
4. Простота конструкции и отсутствие большого количества подвижных и срабатывающихся деталей составляют также немаловажное преимущество турбины, делая ее более надежной и долговечной по сравнению с двигателями внутреннего сгорания.
5. Существенное значение имеет также отсутствие на паровой установке магнето, на работу которого можно воздействовать с помощью радиоволн.
6. Возможность использовать тяжелое топливо (нефть, мазут) помимо экономических преимуществ обусловливает большую безопасность парового двигателя в пожарном отношении. Создается к тому же возможность теплофицировать самолет.
7. Главное же преимущество парового двигателя заключается в сохранении его номинальной мощности с подъемом на высоту.
Одно из возражений против парового двигателя исходит, главным образом, от аэродинамиков и сводится к размерам и возможностям охлаждения конденсатора. Действительно, паровой конденсатор имеет поверхность в 5-6 раз большую, нежели водяной радиатор двигателя внутреннего сгорания.
Вот почему, стремясь снизить лобовое сопротивление такого конденсатора, конструкторы пришли к размещению конденсатора непосредственно по поверхности крыльев в виде сплошного ряда трубок, следующих точно контуру и профилю крыла. Помимо придания значительной жесткости это уменьшит и опасность обледенения самолета.
Имеется, конечно, еще целый ряд других технических трудностей в эксплоатации турбины на самолете.
- Неизвестно поведение форсунки на больших высотах.
- Для изменения быстрой нагрузки турбины, что является одним из условий работы авиационного двигателя, необходимо иметь либо запас воды, либо паросборник.
- Известные трудности представляет и разработка хорошего автоматического устройства для регулировки турбины.
- Неясно также и гироскопическое действие быстро вращающейся турбины на самолете.
Все же достигнутые успехи дают основания надеяться, что в ближайшее время паровая силовая установка найдет свое место в современном воздушном флоте, в особенности на транспортных коммерческих самолетах, а также на больших дирижаблях. Самое трудное в этой области уже сделано, и практики-инженеры сумеют добиться конечного успеха.
Интерес к водяному пару, как доступному источнику энергии, появился вместе с первыми научными познаниями древних. Приручить эту энергию люди пытались на протяжении трёх тысячелетий. Каковы основные этапы этого пути? Чьи размышления и проекты научили человечество извлекать из него максимальную пользу?
Предпосылки появления паровых двигателей
Потребность в механизмах, способных облегчить трудоёмкие процессы, существовала всегда. Примерно до середины XVIII века для этой цели использовались ветряные мельницы и водяные колеса. Возможность использования энергии ветра напрямую зависит от капризов погоды. А для использования водяных колёс фабрики приходилось строить по берегам рек, что не всегда удобно и целесообразно. Да и эффективность тех и других была чрезвычайно мала. Нужен был принципиально новый двигатель, легко управляемый и лишённый этих недостатков.
История изобретения и совершенствования паровых двигателей
Создание парового двигателя - результат долгих размышлений, удач и крушений надежд множества учёных.
Начало пути
Первые, единичные проекты были лишь интересными диковинками. Например, Архимед сконструировал паровую пушку, Герон Александрийский использовал энергию пара для открывания дверей античных храмов. А заметки о практическом применении энергии пара для приведения в действие иных механизмов исследователи находят в трудах Леонардо да Винчи.
Рассмотрим наиболее значительные проекты по этой тематике.
В XVI веке арабский инженер Таги аль Дин разработал проект примитивной паровой турбины. Однако практического применения она не получила из-за сильного рассеяния струи пара, подаваемой на лопасти колеса турбины.
Перенесемся в средневековую Францию. Физик и талантливый изобретатель Дени Папен после многих неудачных проектов останавливается на следующей конструкции: вертикальный цилиндр заполняли водой, над которой устанавливали поршень.
Цилиндр нагревали, вода закипала и испарялась. Расширяющийся пар приподнимал поршень. Его закрепляли в верхней точке подъёма и ожидали остывания цилиндра и конденсации пара. После конденсации пара в цилиндре образовывался вакуум. Освобожденный от крепления поршень под действием атмосферного давления устремлялся в вакуум. Именно это падение поршня предполагалось использовать как рабочий ход.
Итак, полезный ход поршня был вызван образованием вакуума из-за конденсации пара и внешним (атмосферным) давлением.
Потому паровой двигатель Папена как и большинство последующих проектов получили название пароатмосферных машин.
Эта конструкция обладала весьма существенным недостатком - не была предусмотрена повторяемость цикла. Дени приходит к идее получать пар не в цилиндре, а отдельно в паровом котле.
В историю создания паровых двигателей Дени Папен вошел как изобретатель весьма важной детали - парового котла.
А поскольку пар стали получать вне цилиндра, сам двигатель перешел в разряд двигателей внешнего сгорания. Но из-за отсутствия распределительного механизма, обеспечивающего бесперебойную работу, эти проекты почти не нашли практического применения.
Новый этап в разработке паровых двигателей
Около 50 лет для откачки воды в угольных шахтах использовался паровой насос Томаса Ньюкомена. Он во многом повторял предыдущие конструкции, но содержал весьма важные новинки - трубу для вывода сконденсированного пара и предохранительный клапан для выпуска излишнего пара.
Его существенным минусом было то, что цилиндр приходилось то нагревать перед впрыскиванием пара, то охлаждать перед его конденсацией. Но потребность в таких двигателях была столь высока, что, несмотря на их очевидную неэкономичность, последние экземпляры этих машин прослужили вплоть до 1930 года.
В 1765 году английский механик Джеймс Уатт, занявшись усовершенствованием машины Ньюкомена, отделил конденсатор от парового цилиндра.
Появилась возможность цилиндр держать постоянно нагретым. КПД машины сразу вырос. В последующие годы Уатт значительно усовершенствует свою модель, оснастив её устройством для подачи пара то с одной, то с другой стороны.
Стало возможным использовать эту машину не только как насос, но и для приведения в действие различных станков. Уатт получил патент на свое изобретение - паровой двигатель непрерывного действия. Начинается массовый выпуск этих машин.
К началу XIX века в Англии работало более 320 паровых машин Уатта. Их стали закупать и другие европейские страны. Это способствовало значительному росту промышленного производства во многих отраслях как самой Англии, так соседних государств.
Двадцатью годами ранее Уатта, в России над проектом паровой машины работал алтайский механик Иван Иванович Ползунов.
Заводское начальство предложило ему построить агрегат, который приводил бы в действие воздуходувку плавильной печи.
Построенная им машина была двухцилиндровой и обеспечивала непрерывное действие подсоединённого к ней устройства.
Успешно проработав более полутора месяцев, котёл дал течь. Самого Ползунова к этому времени уже не было в живых. Ремонтировать машину не стали. И замечательное творение русского изобретателя-одиночки было забыто.
В силу отсталости России того времени мир узнал об изобретении И. И. Ползунова с большим опозданием….
Итак, для приведения в действие паровой машины необходимо, чтобы пар, вырабатываемый паровым котлом, расширяясь, давил на поршень или на лопасти турбины. А затем их движение передавалось другим механическим частям.
Применение паровых машин на транспорте
Несмотря на то, что КПД паровых двигателей того времени не превышал 5%, к концу XVIII века их стали активно использовать в сельском хозяйстве и на транспорте:
- во Франции появляется автомобиль с паровым двигателем;
- в США начинает курсировать пароход между городами Филадельфия и Берлингтон;
- в Англии продемонстрирован железнодорожный локомотив на паровой тяге;
- российский крестьянин из Саратовской губернии запатентовал построенный им гусеничный трактор мощностью 20 л. с.;
- неоднократно предпринимались попытки построить самолёт с паровым двигателем, но, к сожалению, малая мощность этих агрегатов при большом весе самолёта делала эти попытки неудачными.
Уже к концу XIX столетия паровые двигатели, сыграв свою роль в техническом прогрессе общества, уступают место и электродвигателям.
Паровые устройства в XXI веке
С появлением новых источников энергии в XX и XXI веке снова появляется потребность в использовании энергии пара. Паровые турбины становятся неотъемлемой частью АЭС. Пар, приводящий их в действие, получают за счёт ядерного топлива.
Широко используются эти турбины и на конденсационных тепловых электростанциях.
В ряде стран проводятся эксперименты по получению пара за счёт солнечной энергии.
Не забыты и поршневые паровые двигатели. В горных местностях в качестве локомотива до сих пор используют паровозы.
Эти надёжные труженики и безопаснее, и дешевле. Линии электропередач им не нужны, а топливо - древесина и дешёвые сорта угля всегда под рукой.
Современные технологии позволяют улавливать до 95% выбросов в атмосферу и повысить КПД до 21%, так, что люди решили пока с ними не расставаться и работают над паровыми локомотивами нового поколения.
Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя
Принцип действия парового двигателя
Содeржание
Аннотация
1. Теоретическая часть
1.1 Временная цепочка
1.2 Паровой двигатель
1.2.1 Паровой котёл
1.2.2 Паровые турбины
1.3 Паровые машины
1.3.1 Первые пароходы
1.3.2 Зарождение двухколесного транспорта
1.4 Применение паровых двигателей
1.4.1 Преимущество паровых машин
1.4.2 Коэффициент полезного действия
2. Практическая часть
2.1 Построение механизма
2.2 Способы улучшения машины и ее КПД
2.3 Анкетирование
Заключение
Список используемой литературы
Приложение
паровой двигатель полезное действие
Аннотация
Данная научная работа состоит из 32листов.Она включает в себя теоретическую часть, практическую часть, приложение и заключение. В теоретической части вы узнаете о принципе работы паровых двигателей и механизмов, об их истории и о роли их применения в жизни. Практической части подробно рассказано о процессе конструирования и испытаниях парового механизма в домашних условиях. Данная научная работа может служить наглядным примером работы и использованияэнергиипара.
Введение
Мир покорных любым капризам природы, где машины приводятся в действие мускульной силой или силой водяных колёс и ветряных мельниц - таким был мир техники до создания парового двигателя.Еще в древние времена человек обратил внимание на то, что струя водяного пара, вырываясь из сосуда, поставленного на огонь, способна сместить препятствие (например, лист бумаги), оказавшееся на ее пути.Это заставило человека задуматься над тем, как можно использовать в качестве рабочего тела пар. В результате этого после множества опытов появился паровой двигатель.И представьте себе заводы с дымящимися трубами, паровые машины и турбины, паровозы и пароходы - весь сложный и могучий мир паротехники созданный человекомПаровая машина была практически единственным универсальным двигателем и сыграла огромную роль в развитии человечества.Изобретение паровой машины послужило толчком для дальнейшего развития средств передвижения. В течение ста лет она была единственным промышленным двигателем, универсальность которого позволяла использовать ее на предприятиях, железных дорогах и на флоте.Изобретение парового двигателя является огромным рывком, стоявшим на рубеже двух эпох. И через столетия, ещё острее ощущается вся значимость этого изобретения.
Гипотеза:
Возможно, ли построить своими руками простейший механизм, работавший на пару.
Цель работы: сконструировать механизм способный двигаться на пару.
Задача исследования:
1. Изучить научную литературу.
2. Сконструировать и построить простейший механизм, работавший на пару.
3. Рассмотреть возможности увеличения КПД в дальнейшем.
Данная научная работа будет служить пособием на уроках физики для старших классов и для тех, кого интересует данная тема.
1. Т ео р е тическая часть
Паровой двигатель - тепловой поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия водяного пара, поступающего из парового котла, преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня или вращательного движения вала.
Пар является одним из распространенных теплоносителей в тепловых системах с нагреваемым жидким или газообразным рабочим телом наряду с водой и термомаслами. Водяной пар имеет ряд преимуществ, среди которых простота и и гибкость использования, низкая токсичность, возможность подведения к технологическому процессу значительного количества энергии. Он может использоваться в разнообразных системах, подразумевающих непосредственный контакт теплоносителя с различными элементами оборудования, эффективно способствуя снижению затрат на энергоресурсы, сокращению выбросов, быстрой окупаемости.
Закон сохранения энергии- фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что энергия изолированной (замкнутой) физической системы сохраняется с течением времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть в никуда, она может только переходить из одной формы в другую. С фундаментальной точки зрения, согласно теореме Нётер, закон сохранения энергии является следствием однородности времени и в этом смысле является универсальным, то есть присущим системам самой разной физической природы.
1.1 Времянная цепочка
4000 лет до н. э. - человек изобрел колесо.
3000 лет до н. э. - в Древнем Риме появились первые дороги.
2000 лет до н. э. - колесо приобрело более привычный для нас вид. У него появились ступица, обод и соединяющие их спицы.
1700 г. до н. э. - появились первые дороги, мощенные деревянными брусками.
312 г. до н. э. - в Древнем Риме построены первые дороги с каменным покрытием. Толщина каменной кладки достигала одного метра.
1405 г. - появились первые рессорные конные экипажи.
1510 г. - конный экипаж приобрел кузов со стенами и крышей. Пассажиры получили возможность защититься от непогоды во время поездки.
1526 г. - немецкий ученый и художник Альбрехт Дюрер разработал интересный проект «безлошадной повозки», приводимой в действие мышечной силой людей. Люди, идущие сбоку экипажа, вращали специальные рукоятки. Это вращение с помощью червячного механизма передавалось колесам экипажа. К сожалению, повозка не была изготовлена.
1600 г. - Симон Стевин построил яхту на колесах, двигающуюся под действием силы ветра. Она стала первой конструкцией безлошадной повозки.
1610 г. - кареты претерпели два существенных усовершенствования. Во-первых, ненадежные и слишком мягкие ремни, укачивающие пассажиров во время поездки, были заменены стальными рессорами. Во-вторых, была усовершенствована конная упряжь. Теперь лошадь тянула карету не шеей, а грудью.
1649 г. - прошли первые испытания по использованию в качестве движущей силы пружины, предварительно закрученной человеком. Карету с приводом от пружины построил Йоханн Хауч в Нюрнберге. Однако историки эти сведения ставят под сомнение, поскольку существует версия, что вместо большой пружины внутри кареты сидел человек, который и приводил механизм в движение.
1680 г. - в крупных городах появились первые образцы конного общественного транспорта.
1690 г. - Стефан Фарффлер из Нюрнберга создал трехколесную повозку, передвигающуюся с помощью двух ручек, вращаемых руками. Благодаря этому приводу конструктор повозки мог перемещаться с места на место без помощи ног.
1698 г. - англичанин Томас Севери построил первый паровой котел.
1741 г. - русский механик-самоучка Леонтий Лукьянович Шамшуренков послал в Нижегородскую губернскую канцелярию «доношенье» с описанием «самобеглой коляски».
1769 г. - французский изобретатель Кюньо построил первый в мире паровой автомобиль.
1784 г. - Джеймс Уатт создал первую паровую машину.
1791 г. - Иван Кулибин сконструировал трехколесную самоходную коляску, вмещавшую двух пассажиров. Привод осуществлялся с помощью педального механизма.
1794 г. - паровую машину Кюньо сдали в «хранилище машин, инструментов, моделей, рисунков и описаний по всем видам искусств и ремесел» в качестве очередной механической диковинки.
1800 г. - существует мнение, что именно в этом году в России был построен первый в мире велосипед. Его автором был крепостной Ефим Артамонов.
1808 г. - на улицах Парижа появился первый французский велосипед. Он был изготовлен из дерева и состоял из перекладины, соединяющей два колеса. В отличие от современного велосипеда, у него не было руля и педалей.
1810 г. - в Америке и странах Европы начала зарождаться каретная промышленность. В крупных городах появились целые улицы и даже кварталы, заселенные мастерами-каретниками.
1816 г. - немецкий изобретатель Карл Фридрих Драйз построил машину, напоминающую современный велосипед. Едва появившись на улицах города, она получила название «беговой машины», так как ее хозяин, отталкиваясь ногами, фактически бежал по земле.
1834 г. - в Париже проводились испытания парусного экипажа, сконструированного М. Хакуетом. Этот экипаж имел мачту высотой 12 м.
1868 г. - считается, что в этот год французом Эрне Мишо был создан прообраз современного мотоцикла.
1871 г. - французский изобретатель Луи Перро разработал паровую машину для велосипеда.
1874г. - в России построен паровой колесный тягач. В качестве прототипа был использован английский автомобиль «Эвелин Портер».
1875г. - в Париже прошла демонстрация первой паровой машины Амадея Бдлли.
1884 г. - американец Луис Копленд построил мотоцикл, на котором паровой мотор был установлен над передним колесом. Такая конструкция могла разогнаться до 18 км/ч.
1901г. - в России построен легковой паромобиль московского велосипедного завода «Дукс».
1902г. - Леон Серполле на одном из своих паровых автомобилей установил мировой рекорд скорости - 120 км/ч.
Годом позже он установил еще один рекорд - 144 км/ч.
1905 г. - американец Ф. Мариотт на паровом автомобиле превысил скорость 200 км
1.2 Паровой двигатель
Двигатель, приводимый в действие силой пара. Пар, получаемый путем нагрева воды, используют для движения. В некоторых двигателях сила пара заставляет двигаться поршни, расположенные в цилиндрах. Таким образом создается возвратно-поступательное движение. Подсоединенный механизм обычно преобразует его во вращательное движение. В паровозах (локомотивах) используются Поршневые двигатели. В качестве двигателей используют также паровые турбины, которые дают непосредственно вращательное движение, вращая ряд колес с лопатками. Паровые турбины приводят в действие генераторы электростанций и винты кораблей. В любом паровом двигателе происходит превращение тепла, вырабатываемого при нагреве воды в паровом котле (бойлере) в энергию движения. Тепло может подаваться от сжигания топлива в печи или от атомного реактора. Самый первый в истории паровой двигателей представлял собой род насоса, при помощи которого откачивали воду, заливающую шахты. Его изобрел в 1689 г. Томас Сэйвери. В этой машине, совсем простой по конструкции, пар конденсировался, превращаясь в небольшое количество воды, и за счет этого создавался частичный вакуум, благодаря чему отсасывалась вода из шахтного ствола. В 1712 г. Томас Ньюкомен изобрел поршневой насос, приводимый в действие паром. В 1760-е гг. Джеймс Ватт улучшил конструкцию Ньюкомена и создал намного более эффективные паровые двигатели. Вскоре их стали использовать на фабриках для приведения в действие станков. В 1884 г. английский инженер Чарльз Пар-соне (1854-1931) изобрел первую применимую на практике паровую турбину. Его конструкции были настолько эффективны, что ими вскоре стали заменять паровые двигатели возвратно-поступательного действия на электростанциях. Наиболее удивительным достижением в области паровых двигателей было создание полностью замкнутого, работающего парового двигателя микроскопических размеров. Японские ученые создали его, используя методы, служащие для изготовления интегральных схем. Небольшой ток, проходящий по электронагревательному элементу, превращает каплю воды в пар, который движет поршень. Теперь ученым предстоит открыть, в каких областях это устройство может найти практическое применение.
Статьи по теме
