головна сторінка головна сторінка головна сторінка головна сторінка

Парові машини

Наука и техника
 
ru - ua - en - fr - by - de - es

Парова тяга усе ще забезпечує значну частину необхідної нам енергії. Навіть кращі із сучасних атомних реакторів усього лише джерела тепла, що перетворюють воду в пару для обертання турбін, з'єднаних сэлектрогенераторами.

Перша парова машина була винайдена в I в. н.е. грецьким інженером Геро Олександрійським. Але перша парова машина, нашедшая практичне застосування, була створена в 1698 г. англійським інженером Томасом Сэвери. Пара прохолоджувалася в камері до утвору конденсату. У результаті різкого зменшення обсягу виникав парціальний вакуум, використовуваний для відкачування води з вугільних шахт


Сила поршня

У двигуні, винайденому англійським інженером Томасом Ньюкомепом ок. 1710 г., пара усередині циліндра штовхав нагору поршень. Потім циліндр прохолоджували, щоб сконденсувати пара й повернути поршень у нижнє положення. При конденсації пари тиск у циліндрі падало, і атмосферного тиску було достатньо, щоб поршень опустився вниз. Тому Нью-комен назвав свій двигун пароатмосферным. Хоча ефективність цього двигуна була вище, чим у машини Сэвери, він працював дуже повільно й з низьким КПД. Це пояснюється тим, що після охолодження циліндр потрібно було знову нагрівати, щоб змусити пару штовхати поршень нагору, інакше він би відразу конденсувався


Двигун Уатта

Цю проблему розв'язав шотландський інженер Джеймс Уатт. У створеному їм в 1769 г. двигуні пар направлявся в окрему камеру для конденсації. Тому що циліндр не потрібно було по черзі нагрівати й прохолоджувати, теплові втрати двигуна були відносно невеликими. Крім того, двигун Уатта був більш швидкодіючим, оскільки можна було подавати більша кількість пари в циліндр, як тільки поршень вертався у своє вихідне положення. Завдяки цьому й іншим удосконаленням, придуманим Уаттом, для парової машини найшлися численні практичні застосування. До настання викторианской епохи потужні паровози зробили революцію в засобах пересування по суші. Парові машини також забезпечували енергію для друкування газет, ткацтва й для роботи пральних машин в "парових" пралень. Парові двигуни використовувалися на майданчиках атракціонів, а фермери за допомогою парової тяги орали землю. Прибиральники користувалися працюючими на парі пилососами, а в престижних міських перукарень були навіть щітки для масажу шкіри голови з паровим приводом


Обертовий рух

 Обертовий рухУ більшості перших парових машин поршні, що рухаються в циліндрах, створювали зворотно-поступальний рух, який потім можна було перетворювати в обертовий рух за допомогою механічних обладнань

Парові турбіни відразу перетворять енергію пари в обертовий рух. В XIX в. деякі винахідники експериментували з паровими турбінами, але тільки в 1884 г. англійський інженер Чарльз Парсонс створив рентабельну й працездатну конструкцію. Через кілька років після винаходу, його турбіни стали використовуватися на судах і в генераторах струму


Перетворення енергії

Парові двигуни й турбіни перетворять тепло в енергію. При цьому тепло від спалювання палива йде на кип'ятіння води, обсяг якої в пароподібному стані збільшується в 1600 раз, а тиск пари створює рух. У поршневих двигунах пар розширюється в циліндрі й штовхає поршень. У парових турбінах пара, що розширюється, обертає оснащені лопатками ротори. В обох випадках пар віддає теплову енергію

Парові двигуни й турбіни ставляться до двигунів зовнішнього згоряння, тому що нагрівання відбувається поза робочою камерою, звичайно за рахунок спалювання палива. Пару роблять у казанах, що нагріваються при спалюванні нафти або вугілля. На атомних електростанціях тепло забезпечують ядерні реакції


Подвійна дія

У простих парових машинах пар створює тиск на одній стороні циліндра, змушуючи його рухатися. Але в більшості парових двигунів обидві сторони поршня використовуються для одержання механічної енергії. Спочатку пара попадає на одну сторону й рухає поршень уперед, а потім на іншу сторону, повертаючи його назад. Тому такі двигуни називаються двигунами подвійної дії

Робітник цикл починається з подачі пари на одну сторону циліндра через вхідний отвір, після чого воно закривається, а пара, розширюючись, штовхає поршень униз по циліндру. Потім пара надходить на іншу сторону поршня, змушуючи його вертатися назад, при цьому пара на першій стороні виходить через вихлопний отвір. Пара по черзі подається на одну зі сторін поршня, а інша сторона автоматично з'єднується з вихлопним отвором

У більшості парових двигунів усім робочим циклом кожного поршня управляє один DыОбразний клапан. Він сковзає взадпуперед, забезпечуючи необхідне з'єднання із вхідним і вихлопним отворами пари. У деяких більших парових двигунів окремі клапани є по обидві сторони поршня


Колінчатий вал

Колінчатий валЗворотно-поступальний рух перетвориться в обертальне за допомогою шатуна й колінчатого вала. Колінчатий вал - це важіль, з'єднаний з важким маховиком, а шатун з'єднує цей вал з поршнем або його штоком. При русі поршня вперед та назад колінчатий вал обертається, а маховик вирівнює створюване обертальне зусилля

Температура пари падає при його розширенні в циліндрі. Подібний ефект можна спостерігати, використовуючи аерозольний балон: завдяки розширенню газуивытеснителя виникає відчуття прохолоді від струменя аерозолю. У простому паровому двигуні подвійної дії пара, розширюючись, прохолоджує ту частину циліндра, куди буде подаватися свіжа пара

При сильнім розширенні пари охолодний ефект може викликати більші теплові втрати у двигуні. Ці втрати можна компенсувати за рахунок спалювання більшої кількості палива, але при цьому знижується КПД двигуна. Температурні зміни можна зменшити, якщо обмежити тиск подаваного в циліндр пари для зниження ступеня його розширення. Однак при цьому стає менше й потужність двигуна


Компаунды

Ця проблема вирішується, якщо дозволити пари спочатку частково розширитися в малому циліндрі високого тиску. пара, що потім відробила, надходить у більший циліндр низького тиску, де відбувається його подальше розширення. Парові машини із двома або декількома такими циліндрами називаються комбінованими двигунами або компаундами.

Двигуни із трикратним розширенням - це компаунды із циліндрами високого, середнього й низького тиску. Такі двигуни широко застосовувалися на судах, а деякі німецькі кораблі оснащувалися двигунами із четвертим щаблем розширення


Прямоточні двигуни

Прямоточні двигуни дозволяють знизити теплові втрати за рахунок різкого зменшення коливань температури в циліндрі. Пара, що подавалася в різні частини циліндра, розширюється й випускається через кільце вихлопних отворів у його центрі. Тому циліндр залишається відносно гарячим по краях і більш прохолодним у середній частині, де він контактує з розширеною парою. Теплові втрати зведені до мінімуму, тому що жодна частина циліндра не зазнає більшим змінам температури


Турбіни

Головним робітником органом турбіни є ротор, оснащений рядом лопаток. Він перебуває усередині корпуса з нерухливими лопатками, що направляють потік пари. Пара високого тиску обертає ротор

Пара надходить у корпус турбіни через сопла. При випуску пари його тиск падає, і він розширюється. Це приводить до збільшення його швидкості, яка може в кілька раз перевищувати швидкість звуку. Так, при розширенні пари й падінні його тиску з 12 атм. до 0,5 атм. досягається швидкість приблизно 1100 м/з.


Висока швидкість, більша енергія

, Що Рухається з такою швидкістю пар має велику енергію, але вона не вся легко передається лопатам ротора турбіни. Для максимальної передачі енергії пари турбіні її лопатки повинні обертатися зі швидкістю, яка у два рази менше швидкості пари. Але найчастіше цього важко добитися, і втрати енергії можуть бути більшими. Один зі шляхів вирішення даної проблеми - установка декількох рядів лопаток турбіни, щоб тиск поступовий знижувалося на кожному з них. Такі турбіни називаються компаундированными по тискові. Довжина лопаток поступово збільшується в напрямку від впускного до випускного каналу. У деяких турбінах пар, пройшовши один ряд лопаток, без подальшого розширення направляється на другий, а іноді й на третій ряд. Турбіни такого типу називаються компаундированными по швидкості


Суднові турбіни

На одних пароплавах турбіни використовуються як привід для електрогенератора, що виробляє енергію для електродвигуна, який обертає гребний гвинт. На інших судах турбіна обертає гребний гвинт через ряд редукторів, що знижують швидкість обертання до відносно малої величини, необхідної для економічної роботи гвинта

На більших судах замість одного довгого ротора турбіни можна встановити пліч-о-пліч два більш короткі ротори, з'єднаних з одним джерелом пари. Це дозволяє зменшити загальну довжину двигуна. Такі ротори називаються перекрестно-компаундированными.


Електростанції

Гігантські турбіни електростанцій служать приводами для генераторів струму. При потужностях до 300 Мвт (300 000 кВт) одна лінія роторів турбіни використовується для одного генератора. При більших потужностях два перекрестно-компаундированных ротора підключені до окремих генераторів

Генератори електростанцій виробляють змінний струм. Такий струм міняє свій напрямок багато раз за секунду


Частота мережі

У більшості країн і Західної, і Східної Європи системи електропостачання забезпечують подачу струму, що робить 50 циклів (циклом називаються дві повні зміни напрямку) у секунду. Це - частота мережі, що виражається в герцах (Гц) і рівна в цьому випадку 50 Гц. (1 Гц = 1 цикл у секунду.)

Частота вироблюваного струму залежить від швидкості обертання турбін і генераторів. Для виробництва струму частотою 50 Гц швидкість обертання турбіни повинна бути 3000 про./мін. У Північній Америці частота мереж електропостачання 60 Гц забезпечується за рахунок швидкості обертання турбін 3600 про./мін

Rambler's Top100