Основы для разработки универсальных паровых машин были заложены исследованиями и экспериментами французского физика и изобретателя Дени Папена по созданию вакуума в закрытом цилиндре. Папен родился в городе Блуа в 1647 г. В Университете Анже он изучал медицину и получил степень доктора, однако его судьбу предопределила встреча с голландским естествоиспытателем Христианом Гюйгенсом, под влиянием которого Папен посвятил себя физике и механике.
После переезда в Англию в 1680 г. Папен смог получить вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре (как предлагал ранее делла Порта). С помощью своего лабораторного оборудования Папен смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала, как демонстрационная модель, но для повторения процесса весь аппарат нужно было разобрать и собрать заново.
Для автоматизации цикла Папен предложил создавать пар отдельно, вне цилиндра. Поэтому именно он считается изобретателем парового котла, что в дальнейшем стало основой для парового двигателя конструкции Ньюкомена. Папену также приписывают изобретение важных элементов паровой машины, например, предохранительного клапана. Однако конструкцию действующей паровой машины ему создать не удалось. Прибор Папена стал родоначальником «атмосферных» паровых машин, в которых рабочее движение поршня производится атмосферным давлением воздуха, обратное же движение поршня совершается давлением пара, преодолевающего давление воздуха с противоположной стороны.
Как работает паровой двигатель?
Источник: metalspace.ru
Когда автомобиль будет иметь паровой двигатель?
Так сложилось, что даже люди с техническим образованием мало что знают об этом устройстве. Сегодня мы и восполним этот пробел, вспомним, как устроен паровой двигатель, его принцип действия. Его преимущества, недостатки и применении в современных условиях. И немного о истории изобретения.
Паровая машина кардинально изменила картину мира, произвела революцию в промышленности, на транспорте, дала импульс для новых открытий. Она служила универсальным двигателем на протяжении XIX века, и даже с появлением механизмов, требующих высоких скоростей, не канула в лету. Вместо тихоходной паровой машины ученые разработали быстроходную турбину с одним из самых высоких к.п.д.
- 1 История изобретения парового двигателя
- 2 Как устроен паровой двигатель. Принцип действия
- 3 Преимущества и недостатки
- 4 Применение в настоящее время
История изобретения парового двигателя
Упоминание о первых паровых машинах датировано первым столетием нашей эры. Устройство, описано Героном Александрийским ‒ пар выходил из сопл, закреплённых на шаре, и приводил в движение двигатель.
Правда, настоящая паровая турбина появилась в Египте в 16 веке. Ее изобрел араб Таги-аль-Диноме.
Подобную машину построил 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка. То есть, как только в обществе наступило экономическое благополучие и возникла необходимость в данном механизме, его тот час же изобрели.
В конце 17 века были созданы ещё две модели: в Испании двигатель сконструировал Аянс де Бомонт, а в Англии Эдвард Сомерсет в 1663 году установил паровую установку для закачки воды в Большую башню замка Реглан. Но все проекты быстро сворачивались и забывались. Тогда, как впрочем, и сейчас все новое не воспринималось большинством, и деньги на разработку никто давать не решался.
Паровой котёл создал француз Дени Папен. Он же изобрёл и предохранительный клапан для стравливания избыточного давления. Дело в том, что высокое давление, создаваемое паром, приводило к частым взрывам.
Кстати, в то же время появилось и расхожее выражение: «выпустить пар», которое означало ‒ успокоить нервы, пошумев на окружающих, без сноса собственного котелка и без жертв среди мирного населения.
Но на этом история паровых двигателей не прервалась. Англичанин Томас Ньюкомен в 1712 году сделал шахтный насос для подачи воды на верх. Двигатель Ньюкомена стал пользоваться спросом, с его массового выпуска началась английская промышленная революция.
В России первую паровую машину в 1763 году спроектировал И.И.Ползунов. С ее помощью приводились в действие воздуходувные меха на заводах.
А француз Николас-Йозеф Куньо шесть лет спустя сконструировал первую паровую телегу. Она приводила в движение сельскохозяйственные механизмы.
А в 1788 году Джон Фитч построил пароход, который вмещал 30 человек, и шел со скоростью до 12 километров в час.
В 1804 году на металлургическом заводе в Южном Уэльсе был испытан первый железнодорожный паровой поезд, его построил Ричард Тревитик.
Как устроен паровой двигатель. Принцип действия
Для работы паровой машины потребуется паровой котёл. Поступающий из него пар, расширяется и воздействует на поршень или же на лопатки паротурбины, затем их движение передаётся на другие механические части устройства.
Как устроен паровой двигатель показано на иллюстрации
Движение поршня через шток, ползун, шатун и кривошип передаётся на главный вал, который несет маховик, необходимый для снижения неравномерности вращения.
Эксцентрик, находящийся на главном валу, через эксцентриковую тягу воздействует на золотник, который управляет впуском пара в цилиндре. Пар из цилиндра выбрасывается в атмосферу или направляется в конденсатор.
Чтобы поддерживать постоянное число оборотов вала, при изменении нагрузки, на паровых машинах устанавливают центробежный регулятор, он автоматически изменяет сечение прохода пара, направляемого в паровую машину (при дроссельном регулировании) или момент отсечки наполнения (при количественном регулировании).
Поршень создает в цилиндре парового двигателя одну (две) полости переменного объёма, в них и происходят процессы сжатия и расширения.
Преимущества и недостатки
Основное преимущество паровой машины, как двигателя внешнего сгорания, отделение котла от самой машины. Это дает возможность использовать что угодно в качестве топлива хоть хворост, хоть урановое топливо, что выгодно отличает ее от двигателя внутреннего сгорания ‒ там для каждого типа требуется определённый вид горючего.
Заметнее всего это преимущество в случае с ядерным реактором, который не может производить механическую энергию, а вырабатывает лишь тепло, которое используют для получения пара, вращающего паровые турбины.
В двигателях внешнего сгорания можно использовать и другие источники тепла, например, энергию солнца или энергию разности температур океана на разной глубине.
Интересный факт, паровой локомотив хорошо работает на больших высотах, при чем эффективность двигателя не падает, а, наоборот, растет благодаря низкому атмосферному давлению.
Паровозы и сегодня используют в горной местности Латинской Америки и Китая, при том, что в равнинных районах они давно заменены на более современные типы локомотивов.
Даже в Швейцарии и в Австрии в ходу усовершенствованные тепловозы, работающие на сухом паре. Их разработали на основе модели SLM производства 1930 года. В конструкцию внесли ряд изменений: использовали роликовые подшипники, современную теплоизоляцию, новые виды топлива, специальные паропроводы и ряд других новшеств.
Благодаря этому потребление топлива уменьшилось на 60 процентов, а вес стал ниже, чем у дизельных и электрических аналогов, что актуально для железных дорог, проходящих в горной местности.
Среди других положительных качеств парового двигателя:
- высокая надёжность;
- возможность эксплуатации при значительных колебаниях нагрузки;
- допустимость продолжительных перегрузок;
- долговечность;
- низкие расходы на эксплуатацию;
- простота в обслуживании.
К недостаткам можно отнести:
- наличие кривошипно-шатунного механизма;
- низкий КПД по сравнению с другими типами двигателей.
Применение в настоящее время
Сегодня паровые машины нашли широкое применение в виде паровых турбин, которые работают как приводы электрогенераторов.
Паровая турбина состоит из вращающихся дисков, которые закреплены на одной оси. Этот узел называется ротором. Также есть статор ‒ его неподвижные диски чередуются с дисками ротора. На дисках ротора размещены лопатки, при попадании на них пара, механизм приходит в движение.
Аналогичные лопатки, только расположенные под противоположным углом, есть и на дисках статора. Они служат для перенаправления струи пара на следующий диск ротора.
Турбина преобразует энергию пара во вращательное движение без каких-либо дополнительных механизмов. То есть преобразование возвратно-поступательного хода во вращательное движение делать не нужно.
Также у турбин меньшие размеры нежели у возвратно-поступательных машин, и они отличаются постоянным усилием на выходном валу. Ещё один плюс ‒ простая конструкция, а значит придётся меньше тратить средств на эксплуатацию.
Сфера использования паровых турбин ‒ производство электроэнергии. Более 85 процентов электрической энергии вырабатывают именно паровые турбины. Также их используют как судовые двигатели, в частности на подводных лодках и атомоходах.
Теперь вы знаете, как устроен паровой двигатель, что паровая машина, изобретённая ещё в первом столетии нашей эры, вовсе не анахронизм, а современное высокотехнологичное устройство, благодаря которому жизнь многих людей стала комфортнее.
Перспективы применения паровых машин на автомобилях имеют пока туманные очертания, но творческая мысль изобретателя не имеет границ и я с полной уверенностью могу предположить, что скоро появятся двигатели с элементами парового носителя
Подписывайтесь на наш блог, чтобы узнать много нового и интересного. Поделитесь этой информацией с друзьями в социальных сетях ‒ пусть они повысят свой технический уровень, ну и вам будет приятно иметь умных друзей.
Источник: auto-ru.ru
История первой паровой машины, изобретенной Дени Папеном
История развития паровых машин насчитывает множество типов и разновидностей, создателями которых являлись выдающиеся умы разных эпох. Одним из таких изобретателей был француз Дени Папен.
Рассмотрим факты из жизни Дени Папена, историю изобретения первой паровой машины, ее особенности и вклад в развитие этого направления в механике.
Главные факты об изобретателе
Дени Папен родился во Франции 22 августа 1647 года, получил образование врача, которым впоследствии так и не стал. Переломным моментом в его судьбе стала работа помощником у знаменитого, на тот момент, голландского физика Гюйгенса. Именно с этого времени Дени стал изучать физику и начались его первые открытия.
Физик известен следующими изобретениями:
- Написал книгу «Новые опыты с пустотой». Книга была написана в 1674 и посвящена опытам и разработкам воздействия вакуума на живые организмы и растения.
- Изобретение варочного котла, предка современной пароварки. Изобретение было сделано в 1679 году.
- В ходе изучения влияния формирования давления газов, создал усовершенствованный пороховой двигатель.
- В 1690 году представил первый поршневой паровой двигатель.
В жизни изобретателя было еще много интересных фактов, таких как: изобретение центробежных насосов, плавильных печей, повозок на паровой тяге. Папен поразил многих в 1707 году, когда смог проплыть по реке Везеру на первом катере с паровым двигателем.
Кто подсказал идею конструкции?
Разработку первой паровой машины помог осуществить физик Готфрид Лейбниц. Он также изучал действие пара и в ходе совместных переписок подсказал многие критерии конструкции нового двигателя.
Первый двигатель был сконструирован на основе разработок Сэйвери, который сделал насос, работающий на пару, но за счет создания вакуума. Вакуум создавался за счет разницы давления и температуры охлажденного и горячего пара.
Когда была изобретена?
1690 стал годом создания первой паровой машины конструкции Дени Папена. Именно им была использована конструкция гильзы и поршня. В своей разработке изобретатель использовал такие технические новшества как: клапан вывода избыточного давления, систему повторного использования пара и свойства пара к конденсации.
Как разрабатывалось изобретение?
Изобретение паровой машины началось с момента работы будущего изобретателя с физиком Гюйгенсом.
Именно в это время Папен начал изучать влияние газов и вакуума на различные среды с их дальнейшим практическим использованием.
Первой разработкой стал клапан для емкости с вакуумом. Клапан позволял регулировать уровень воздуха в емкости. Впоследствии этот клапан, но усовершенствованный подвесным грузом, стал использоваться в паровой машине для поднятия воды из шахт.
Практическое применение давления пара ученым было найдено в паровом котле. Он смог создать полностью герметичный котел, в котором кипела вода, а лишнее давление пара стравливалось через специальный клапан. При этом давление регулировалось за счет утяжеления клапана.
Еще одним шагом стало открытие зависимости скорости кипения воды от величины давления. Паровой котел был сделан максимально герметично, а клапан с грузом позволял увеличивать давление пара для увеличения скорости парообразования.
Варочный котел позволил изобретателю начать изыскания в области формирования давления при образовании пара. Он стал изучать давление и его влияние на предметы, что привело к созданию порохового парового двигателя.
Эта разработка уже имела герметичную гильзу с поршнем. Поршень в гильзе поднимался за счет пороховых газов, которые возникали в результате воспламенения пороха в нижней части гильзы.
Папен смог создать систему отвода газов: одна часть выводилась в атмосферу, другая переводилась к верхней части гильзы. За счет разницы в температуре, газы конденсировались, и поршень под силой тяжести атмосферного давления опускался на дно гильзы.
Недостатком этого устройства стала большая взрывоопасность и необходимость частой смены пороховых зарядов. Такой двигатель нельзя было использовать для откачки воды из подземных шахт.
В 1690 году физик решил заменить порох на воду. Двигатель работал примерно по принципу порохового, но позволял вырабатывать больше энергии для поднятия поршня.
После создания первого поршневого парового двигателя Папен выпустил вторую машину, где использовал принцип парообразования в отдельном котле. Это устройство должно было использоваться для откачки воды, но патент на его изобретение физик получить не смог, его опередил Сэйвери.
Фото
Принцип работы и схема
Первая паровая машина Папена представляла собой простой, одноцилиндровый, вакуумный двигатель, работающий на энергии пара.
Устройство состояло из:
- металлической гильзы, которая также была котлом машины и емкостью для воды;
- поршня со штоком;
- клапана давления в камере — клапан снижал давление, и переводил пар за головку поршня;
- стопора.
Принцип работы устройства заключался в следующем:
- Нижняя часть гильзы наполнялась водой. При этом поршень находился в нижнем положение.
- Гильза устанавливалась на печь.
- Вода закипала, пар расширялся и созданным давлением толкал поршень вверх.
- Избыток пара выводился в атмосферу, некоторая его часть попадала за поршень, через клапан, а поднятый поршень фиксировался стопором.
Для того, чтобы поршень вернулся в исходное положение, требовалось охладить гильзу, дождаться конденсации остатков пара в верхней части гильзы. Только после этого поршень под тяжестью атмосферного давления и собственного веса опускался вниз.
Для того чтобы машина работала в постоянном режиме, требовалось управлять рукояткой стопора и постоянно охлаждать верхнюю часть гильзы.
Особенности
К особенностям первой паровой машины можно отнести:
- Это был первый поршневой двигатель, использующий принцип сжатия/разжатия и преобразования энергии пара в механическое движение.
- В изобретении использовалась первая наработка системы парораспределения и повторного применения отработанного пара.
- Применялся клапан, который переводил отработанный пар на конденсацию.
Также особенностью являлся шток, который мог служить в качестве привода. Изобретатель оснастил свою машину стопором фиксации поршня. Он использовался в качестве прерывателя работы двигателя, так как охлаждение проводилось через снятие гильзы с огня.
Экологичность устройства
Что касается экологичности, то машина была намного безопаснее первой разработки, для которой использовалась энергия взрыва пороха. Пар производился из чистой воды и не создавал вредных выбросов в экологию.
Также не было и конденсата, который выводился через клапан, обратно в нижнюю часть гильзы. Данное устройство могло работать в паре с насосом для откачки воды из шахт.
Значение
Двигатель Папена не был внедрен в промышленность тех времен, но стал основой для разработок других изобретателей:
- Томас Ньюкомен на основе машины Папена изобрел двигатель для насосной станции. За эталон он взял всю специфику работы предыдущего устройства, но с некоторыми доработками. Основой стал котел, который был отделен от общей схемы. Теперь охлаждение и возврат поршня осуществлялся только конденсатом. Не было необходимости снимать котел с печи. Также отдельный котел позволил увеличить объем используемой воды и повысить температуру огня.
- Следующей поршневой машиной стал двигатель Уайта. Изобретатель смог отказаться от использования атмосферного давления и негерметичного поршня. За основу работоспособности устройства были взяты разработки Папена в области работы с давлением пара.
Первые паровые машины стали прорывом. Они разрабатывались, в основном, для работы насосов в шахтах и подачи воды на промышленные предприятия того времени. Ученый смог задать курс на создание вакуумных поршневых двигателей, сделав огромный вклад в изучение парового давления.
Заключение
Первый паровой двигатель не смог найти себе достойного применения в технике. Но он стал эталонным в ходе дальнейших разработок в этом направлении. Дени Папену удалось наделить обычный ручной насос энергией пара и сделать его настоящим двигателем.
Источник: o-vode.net