Паровая машина

Парова́я маши́на — 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.

Принцип действия паровой машины

Файл:Steam machine cycle.png

Рис. 1. Теоретическая индикаторная диаграмма паровой машины

Поршень образует в цилиндре паровой машины одну или две полости переменного объёма, в которых совершаются процессы сжатия и расширения, что показано на рис. 1 кривыми зависимости давления p от объёма V указанных полостей. Эти кривые образуют замкнутую линию в соответствии с тепловым циклом, по которому работает паровая машина между давлениями p₁ и p₂, а также объёмами V₁ и V₂.

Моменты начала и конца процессов расширения и сжатия пара дают четыре основные точки реального цикла паровой машины: объём V_e, определяемый точкой 1 начала или предварения впуска; объём конца впуска или наполнения Е, определяемый точкой 2 отсечки наполнения; объём предварения выпуска или конца расширения V_a, определяемый точкой 3 предварения выпуска; объём сжатия V_c, определяемый точкой 4 начала сжатия. В реальной паровой машине перечисленные объёмы фиксируются парораспределительными органами. Принцип действия паровой машины показан на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Работа паровой машины двойного действия

Рис. 3. Устройство паровой машины

Работа поршня 1 посредством штока 2, ползуна 3, шатуна 4 и кривошипа 5 передаётся главному валу 6, несущему маховик 7, который служит для снижения неравномерности вращения вала. Эксцентрик, сидящий на главном валу, с помощью эксцентриковой тяги приводит в движение золотник 8, управляющий впуском пара в полости цилиндра. Пар из цилиндра выпускается в атмосферу или поступает в конденсатор. Для поддержания постоянного числа оборотов вала при изменяющейся нагрузке паровые машины снабжаются центробежным регулятором 9, автоматически изменяющим сечение прохода пара, поступающего в паровую машину (дроссельное регулирование, показано на рисунке), или момент отсечки наполнения (количественное регулирование).

Классификация паровых машин

Файл:Steam machine tandem.png Рис. 4. Схема паровой машины тандем: 1 — цилиндр низкого давления; 2 — цилиндр высокого давления; 3 — шатун;4 — кривошип

Файл:Steam machine compound.png Рис. 5. Схема паровой машины компаунд: кривошип цилиндра высокого давления расположен на 90° относительно кривошипа цилиндра низкого давления; 1 — цилиндр высокого давления; 2 — кривошип цилиндра высокого давления; 3 — маховик; 4 — кривошип цилиндра низкого давления; 5 — цилиндр низкого давления

Паровые машины разделяются:

• по назначению
  • стационарные
  • нестационарные (передвижные и транспортные)
• по используемому пару
  • низкого давления (до 12 кг/см²)
  • среднего давления (до 60 кг/см²)
  • высокого давления (свыше 60 кг/см²)
• по числу оборотов вала
  • тихоходные (до 50 об/мин, как на колёсных пароходах)
  • быстроходные
• по давлению выпускаемого пара
  • на конденсационные (давление в конденсаторе 0,1—0,2 ата)
  • выхлопные (с давлением 1,1—1,2 ата)
  • теплофикационные с отбором пара на нагревательные цели или для паровых турбин давлением от 1,2 ата до 60 ата в зависимости от назначения отбора (отопление, регенерация, технологические процессы, срабатывание высоких перепадов в предвключённых паровых турбинах).
• По расположению цилиндров
  • горизонтальные
  • наклонные
  • вертикальные
• по числу цилиндров
  • одноцилиндровые
  • многоцилиндровые
    • сдвоенные, строенные и т. д., в которых каждый цилиндр питается свежим паром
    • паровые машины многократного расширения, в которых пар последовательно расширяется в 2, 3, 4 цилиндрах возрастающего объёма, переходя из цилиндра в цилиндр через т. н. ресиверы (коллекторы).

По типу передаточного механизма паровые машины многократного расширения делятся на тандем-машины (рис. 4) и компаунд-машины (рис. 5). Особую группу составляют прямоточные паровые машины, в которых выпуск пара из полости цилиндра осуществляется кромкой поршня.

История изобретения

Паровая машина Ньюкомена — шахтный насос

Паровая машина была изобретена в XVIII веке, когда основной недостаток гидросиловых установок (зависимость от местных условий), мало сказывавшийся при вращении жерновов зерновых мельниц, стал сильно препятствовать развитию металлургических предприятий, главным образом из-за невозможности применить водяные колёса для откачивания воды из рудников, удалённых от источников водной энергии. Возможность перевозки топлива сделала тепловой двигатель независимым от месторасположения источника энергии и позволила решать задачу рудничного водоотлива, в результате чего на рудниках появились теплосиловые установки.

Решая задачу водоподъёма, изобретатели (Д. Папен во Франции, Т. Ньюкомен и Т. Севери в Англии и др.) постепенно нашли конструктивные формы для осуществления непрерывного рабочего процесса паровой машины: отдельный паровой котёл, цилиндр, топочное устройство, краны и др. Однако это всё ещё были насосные установки, которые могли направлять работу цикла только на подъём воды и были не в состоянии удовлетворить потребности в двигателях для заводских машин (воздуходувных мехов, рудодробильных пестов, кузнечных молотов, лесопильных рам и др.). Так возник переходный период (1700—1780) в энергетике, когда водяное колесо стало ограничивать развитие техники вследствие зависимости от местонахождения источника водной энергии; паровой двигатель, хотя и был свободен от местных условий, был освоен только для подъёма воды.

Потребности заводов привели к созданию комбинированных установок, в которых паровой насос поднимал воду на водяное колесо, приводившее в движение заводские машины. Такие установки не решали задачи о заводском двигателе, так как теряли в своей гидравлической части свыше 2/3 работы, получаемой от парового цикла. Задача могла быть решена только путём замены гидравлической передачи работы механической, изысканием передаточного механизма, способного периодически отдаваемую паровым циклом работу передавать потребителю непрерывно, в любой необходимой форме движения. Простейший передаточный механизм в форме балансира просуществовал целое столетие, так как позволил при низком давлении пара поднимать воду на большую высоту за счёт разности площадей сечения парового и водяных цилиндров, но не решал главной задачи заводского двигателя — способности отдавать работу непрерывно.

Применение двух цилиндров с последовательной отдачей работы их полостей на общий вал было впервые предложено И. И. Ползуновым в 1763, однако из-за смерти изобретателя проект не был завершён, и машина была разобрана после нескольких пробных пусков.

В 80-х гг. XVIII века потребность в универсальном двигателе стала исключительно острой в связи с развитием первого этапа промышленного переворота — внедрением в производство прядильных и ткацких машин. Эти новые машины, дававшие возможность одновременного действия многих орудий, определили в последней четверти 18 в. период завершения первого этапа в развитии паровых машин. Задача приняла конкретную форму: необходимо было превратить паровую насосную установку в двигатель с вращательным движением вала. Решение этой задачи нашло своё отражение в патентах разных стран на паровые машины в 80-х гг. XVIII в. Наибольшее распространение получила паровая машина Джеймса Уатта, (Англия), как наиболее экономичная вследствие отделения конденсатора от цилиндра. С 1800 развитие паровой машины и её внедрение в промышленности и на транспорте идёт возрастающими темпами. К середине XIX века суммарная мощность паровозов превосходит мощность фабричных установок. Во 2-й половине XIX века мощность судовых установок также становится выше мощности стационарных, а к концу века становится наибольшей составляющей в общем балансе установленной мощности, достигшей 120 млн. л. с.

Промышленный переворот — переход от мануфактурного ручного производства к машинному — получил своё завершение с созданием универсального двигателя. В течение почти всего 19 в. паровая машина определяла уровень энергетики машинного производства и транспорта, темпы и направление их развития. Паровая машина увеличивала потребность в каменном угле и удовлетворяла эту потребность, поскольку она поднимала уголь из шахт, вентилировала их, откачивала из них воду. Паровая машина увеличивала потребность в металле и удовлетворяла её, поскольку она нагнетала воздух в доменные печи, проковывала детали машин, вращая валы прокатных станов. Паровая машина предъявила новые требования к технологии металлообработки и удовлетворяла их, приводя в движение металлообрабатывающие станки, способствуя становлению и развитию машиностроения — производства машин, делающих машины.

В своём развитии паровая машина способствовала появлению новых областей знания. Созданная на основе производственного опыта, паровая машина поставила перед учёными ряд вопросов, разрешение которых создало новую науку — техническую термодинамику.

К началу XX в. паровая машина достигла высокой степени совершенства. За сто лет развития мощность паровой машины повысилась от 5—10 л. с. до 20000 л. с., экономичность — от 0,3 % до 20 %, давление впускаемого пара — от 0,1 ата до 120 ата, температура пара — от 100° до 400°, число оборотов в минуту — от 20—30 до 1000 об/мин; удельный вес снизился от сотен до 1—2 кг/л. с.; занимаемая площадь уменьшилась от нескольких квадратных метров до их сотых долей на 1 л. с. Расход пара для паровой машины высокого давления с многократным расширением составляет 2,62 кг/л. с.-час. КПД достиг 20-25 %.

На основе опыта, приобретённого в производстве паровых машин, был создан новый поршневой двигатель — двигатель внутреннего сгорания, в котором сгорание происходит непосредственно в цилиндре двигателя, то есть по сравнению с собственно паровой машиной устранено одно промежуточное звено (пар, как промежуточное рабочее тело, и парокотёльный агрегат, как генератор пара). Благодаря малому удельному весу (то есть отношению веса к мощности) двигатель внутреннего сгорания получил широкое распространение на транспорте. Развитие паровых машин привело и к созданию другого парового двигателя — паровой турбины, в которой видоизменён характер использования пара, вырабатываемого котёльным агрегатом, и вместо пульсирующего движения поршня и кривошипно-шатунного механизма используется непрерывное течение пара через проточную часть двигателя, то есть по сравнению с собственно паровой машиной устранено звено поршень—кривошипно-шатунный механизм, что позволило сконцентрировать большие мощности в одном агрегате. Паровая турбина оказалась наиболее целесообразной формой привода для мощных электрогенераторов, требующих равномерного вращения.

Области применения

Паровой молот

Вплоть до середины XX в. паровые машины широко применялись в тех областях, где их положительные качества (большая надёжность, возможность работы с большими колебаниями нагрузки, возможность длительных перегрузок, долговечность, невысокие эксплуатационные расходы, простота обслуживания и лёгкость реверсирования) делали применение паровой машины более целесообразным, чем применение других двигателей, несмотря на её недостатки, вытекающие главным образом из наличия кривошипно-шатунного механизма. К таким областям относятся: железнодорожный транспорт (см. паровоз); водный транспорт (см. пароход), где паровая машина делила своё применение с двигателями внутреннего сгорания и паровыми турбинами; промышленные предприятия с силовым и тепловым потреблением: сахарные заводы, спичечные, текстильные, бумажные фабрики, отдельные пищевые предприятия. Характер теплового потребления этих предприятий определял тепловую схему установки и соответствующий ей тип теплофикационной паровой машины: с концевым или промежуточным отбором пара. Теплофикационные установки дают возможность уменьшать на 5—20 % расход топлива по сравнению с раздельными установками, состоящими из конденсационных паровых машин и отдельных котёльных, производящих пар на технологические процессы и отопление. Проведённые в СССР исследования показали целесообразность перевода раздельных установок на теплофикационные путём введения регулируемого отбора пара из ресивера паровой машины двойного расширения. Возможность работы на любых видах топлива делала целесообразным применение паровых машин для работы на отходах производства и сельского хозяйства: на лесозаводах, в локомобильных установках и т. п., особенно при наличии теплового потребления, как, например, на деревообрабатывающих предприятиях, имеющих горючие отходы и потребляющих низкопотенциальное тепло для целей сушки лесоматериалов. Паровая машина удобна для применения в безрельсовом транспорте, так как не требует коробки скоростей, однако она не получила здесь распространения из-за некоторых не разрешённых конструктивных трудностей.

Статья основана на материалах Большой советской энциклопедии 2-го издания. eo:Vapormaŝino hu:Gőzgép lt:Garo mašina nn:Dampmaskin