Паровой двигатель паровые машины паровоз

Принцип работы парового двигателя

Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразует энергию пара в механическую работу.

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.

История изобретения паровых машин. Создание паровой машины

Возможности в использовании энергии пара были известны в начале нашей эры. Это подтверждает прибор под названием Героновский эолипил, созданный древнегреческим механиком Героном Александрийским. Древнее изобретение можно отнести к паровой турбине, шар которой вращался благодаря силе струй водяного пара.

Приспособить пар для работы двигателей стало возможным в XVII веке. Пользовались подобным изобретением недолго, однако оно внесло существенный вклад в развитие человечества. К тому же история изобретения паровых машин очень увлекательна.

Понятие

Паровая машина состоит из теплового двигателя внешнего сгорания, который из энергии водяного пара создает механическое движение поршня, а тот, в свою очередь, вращает вал. Мощность паровой машины принято измерять в ваттах.

Принцип действия

Для работы всей системы необходим паровой котел. Образовавшийся пар расширяется и давит на поршень, в результате чего происходит движение механических частей.

Принцип действия лучше изучить с помощью иллюстрации, представленной ниже.

Если не расписывать детали, то работа паровой машины заключается в преобразовании энергии пара в механическое движение поршня.

Коэффициент полезного действия

КПД паровой машины определяется отношением полезной механической работы по отношению к затраченному количеству тепла, которое содержится в топливе. В расчет не берется энергия, которая выделяется в окружающую среду в качестве тепла.

КПД паровой машины измеряется в процентах. Практический КПД будет составлять 1-8%. При наличии конденсатора и расширении проточной части показатель может возрасти до 25%.

Преимущества

Главным преимуществом парового оборудования является то, что котел в качестве топлива может использовать любой источник тепла, как уголь, так и уран. Это существенно отличает его от двигателя внутреннего сгорания. В зависимости от типа последнего требуется определенный вид топлива.

История изобретения паровых машин показала преимущества, которые заметны и сегодня, поскольку для парового аналога можно использовать ядерную энергию. Сам по себе ядерный реактор не может преобразовывать свою энергию в механическую работу, но он способен выделять большое количество тепла. Оно то и используется для образования пара, который приведет машину в движение. Таким же образом может применяться солнечная энергия.

Локомотивы, работающие на пару, хорошо показывают себя на большой высоте. Эффективность их работы не страдает от пониженного в горах атмосферного давления. Паровозы до сих пор применяют в горах Латинской Америки.

В Австрии и Швейцарии используют новые версии паровозов, работающих на сухом пару. Они показывают высокую эффективность благодаря многим усовершенствованиям. Они не требовательны в обслуживании и потребляют в качестве топлива легкие нефтяные фракции. По экономическим показателям они сравнимы с современными электровозами. При этом паровозы значительно легче своих дизельных и электрических собратьев. Это большое преимущество в условиях горной местности.

Недостатки

К недостаткам относится, прежде всего, низкий КПД. К этому стоит добавить громоздкость конструкции и тихоходность. Особенно это стало заметно после появления двигателя внутреннего сгорания.

Применение

До середины ХХ века паровые машины применяли в промышленности. Также их использовали для железнодорожного и парового транспорта.

Заводы, которые эксплуатировали паровые двигатели:

• сахарные;
• спичечные;
• бумажные фабрики;
• текстильные;
• пищевые предприятия (в отдельных случаях).

Паровые турбины также относятся к данному оборудованию. С их помощью до сих пор работают генераторы электроэнергии. Около 80% мировой электроэнергии вырабатывается с применением паровых турбин.

В свое время были созданы различные виды транспорта, работающие на паровом двигателе. Некоторые не прижились из-за нерешенных проблем, а другие продолжают работать и в наши дни.

Транспорт с паровым двигателем:

Большая часть подобного транспорта стала непопулярной после появления двигателя внутреннего сгорания, чей КПД значительно выше. Такие машины были более экономичными, при этом легкими и скоростными.

Настольная рабочая модель двигателя Стирлинга

Типы двигателей

Двигатели бывают двух основных типов:

• двигатели внешнего сгорания (например, паровые двигатели) сжигают топливо в одном месте и производят энергию в другой части той же машины;
• двигатели внутреннего сгорания (например, автомобильные двигатели) сжигают топливо и производят мощность в одном и том же месте (в автомобиле все это происходит в сверхпрочных металлических цилиндрах).

Оба типа двигателей полагаются на тепловую энергию, заставляющую газ расширяться, а затем остывать.

Чем больше разница температур (между самым горячим и самым холодным газом), тем лучше работает двигатель.

Как работает паровой двигатель

Есть угольный костер, который нагревает воду до тех пор, пока она не закипит и не превратится в пар.

Пар проходит по трубе в цилиндр через открытый входной клапан, где он толкает поршень и приводит в движение колесо.

Затем входной клапан закрывается, и открывается выходной клапан.

Импульс колеса заставляет поршень вернуться в цилиндр, где он выталкивает охлажденный нежелательный пар через выход и дальше вверх по дымовой трубе (дымоходу).

Детали парового двигателя

Паровые двигатели, такие как у этого Локомотива, являются примерами двигателей внешнего сгорания.

Огонь, который и создаёт теплоту, пламя и является источником энергии (1), находится снаружи (вне) цилиндра, где тепловая энергия превращается в механическую энергию (3). Между ними есть котел (2), который превращает тепловую энергию в пар. Пар действует как теплоноситель, толкая поршень (4), который перемещает колеса с помощью кривошипа (5) и приводит в движение поезд (6). Пар и тепловая энергия постоянно выбрасываются из дымовой трубы (7), что делает этот способ особенно неэффективным и неудобным для питания движущейся машины.

Есть много проблем с паровыми двигателями, но вот четыре из них — наиболее очевидных.

Во-первых, котел, который производит пар, работает под высоким давлением, и существует риск, что он может взорваться (взрывы котлов были серьезной проблемой с очень ранними паровыми двигателями).

Взрыв парового котла паровоза

Во-вторых, котел обычно находится на некотором расстоянии от цилиндра, поэтому энергия теряется по пути. Температура внутри кабины машиниста была как в бане – доходила до 100 градусов. Всё это тепло расходовалось, по сути, впустую.

В-третьих, пар, выходящий из дымовой трубы, все еще достаточно горяч, поэтому он содержит потраченную энергию, которая никак не конвертировалась в механическую.

В-четвертых, поскольку пар выбрасывается из цилиндра каждый раз, когда поршень толкается вперед, двигатель должен потреблять огромное количество воды, а также топлива.

Как работает локомотив

Паровоз Строение паровоза

1. Топка
2. Дверь Топки
3. Колосники / Колосниковая Решетка
4. Поддувало – место для поддува воздуха
5. Уголь
6. Вода
7. Жаровые трубы
8. Регулятор
9. Коллектор для другого парового оборудования (т. е. свисток, перерывы, воздуходувка и т. д)
10. Паровой купол
11. Главная Паровая Труба
12. Выхлопная труба
13. Взрывная Труба
14. Цилиндр
15. Поршень
16. Задвижка
17. Дымоход
18. Шатун
19. Рукоятка
20. Ведущее колесо
21. Паропровод для тормозов поезда
22. Боковые резервуары для воды
23. Песочница, для тяги по мокрым рельсам
24. Дымосборник
25. Предохранительный клапан

Паровой двигатель использует угольный огонь (хотя есть и некоторые исключения) в качестве источника энергии для кипячения воды и получения пара.

Горячие газы от горящего угля в топке проходят через котел в «огненных трубах» (144 штуки в случае Локомотива «Барклай»), прежде чем покинуть двигатель через дымовую трубу и дымоход.

По мере того как вода в котле закипает, горячий “мокрый” пар поднимается вверх и собирается из парового купола на верхней части котла через регулирующий клапан, который машинист использует для управления скоростью движения локомотивов.

Из регулятора пар подается по трубопроводу в цилиндры и поочередно поступает через клапаны-золотники (расположенные сбоку корпуса цилиндра), толкая поршень в цилиндре вперед и назад.

Поршень соединен с ведущими колесами через «шатун» и «кривошип» (или «клапанный механизм», как его обычно называют), и движение поршня туда-сюда вращает ведущие колеса. Каждый раз, когда поршень цилиндра движется вперед и назад, ведущее колесо совершает полный оборот.

Рычаг «кривошипа» на каждой стороне локомотива смещен на 90 градусов, чтобы предотвратить его заклинивание, если паровоз остановится с ними в горизонтальном положении.

После выхода из цилиндра отработанный пар выходит из двигателя через дутьевую трубу и поднимается в дымоход в коптильне. Действие пара в дутьевой трубе создает более низкое давление в дымовой трубе, а также помогает вытягивать горячие газы из огня через трубы котла и в свою очередь производить больше пара.

Источник статьи: http://principraboty.ru/princip-raboty-parovogo-dvigatelya/

Как устроен и работает паровоз. Часть 1

Опубликовано 26.06.2020 · Обновлено 04.02.2021

Коснемся прародителя всей славной семьи локомотивов – Паровоза. Итак, если вы думаете, что этот экземпляр уже далеко в прошлом, то вы ошибаетесь.

В настоящее время паровозы еще активно работают на многих железных дорогах мира, даже в таких передовых странах, как США, Китай, Канада. Встречаются они и у нас во главе ретро-поездов. Много паровозов стоит и на базах запаса в законсервированном состоянии на случай непредвиденных обстоятельств.

паровоз

Устройство паровоза

Паровоз – это мобильный локомотив, приводимый в движение силой пара. А где же его берут? Пар образуется в паровом котле, а для этого в котел подается вода, разогреваемая огнем, горящим внизу в топке. Это основа паровоза. Котел имеет в своем составе топку, в верхней части которой греется вода, дымогарные трубы, жаровые трубы, сухопарники, дымовую коробку.

Котел опирается на экипажную часть. Пар, получаемый в котле направляется по паропроводам в паровую машину. Паровая машина через кривошипно-шатунный механизм соединена с ведущими колесами, закрепленными на оси. Ведущие колеса, через кривошип, соединены с паровой машиной главным дышлом, а остальные колеса соединяются с ведущими колесами системой прицепных дышел, чтобы также участвовать в тяге.

Управление паровозом осуществляется из будки машиниста. Для хранения запасов угля и воды к паровозу прицеплен тендер.

Итак, уголь поступил в топку из тендера (на ранних моделях уголь закидывался в топку вручную, помощником машиниста, кочегар отвечал за тендер и подачу угля к лотку, откуда помощник брал его лопатой). На более поздних конструкциях устанавливались автоматические углеподатчики (стокеры), вал которых приводился в движение силой пара. Уголь хорошо горит, вода, поступившая из тендера, путем перекачки инжекторами, закипела, что дальше?

Чтобы пар с полной силой двигал поршни паровой машины он должен быть перегретым, т.е., вода должна закипеть не при 100 градусах Цельсия, как обычно, а при 200 и даже более. Это достигается путем создания в котле избыточного давления. Топка обмуровывается огнестойким кирпичом, уголь подается на колосниковую решетку, на которой и происходит горение.

Непосредственно топка (огневая коробка) имеет стальной кожух, тем самым между топкой и кожухом есть пространство, заполненное водой, где она и греется. Топка с кожухом соединены посредством стальных стержней – топочных связей по всему своему периметру. Конструкция топки опирается на раму паровоза. Все продукты сгорания уходят через дымогарные трубы в дымовую коробку, а оттуда через трубу в атмосферу.

Для перегревания пара существуют трубы жаровые, они также находятся в котле, но дополнительно подогревают пар, эти устройства называются пароперегревателями. Топка работает в очень тяжелом режиме: температура сгорания топлива может составлять до 1600 градусов, вода закипает при температуре 200 и более градусов, давление пара достигает десятков атмосфер.

Топка паровоза — ШУРОВОЧНОЕ отверстие

В топке имеется шуровочное отверстие, через которое происходит загрузка угля и контроль за состоянием горения топлива и внутренних узлов топки. Данное отверстие закрыто створками, которые открываются вручную посредством рычага и автоматически (силой пара или воздуха). Пар из котла поступает в сухопарники (эти устройства можно видеть на крыше котла, в виде таких больших, как бы сказать, кастрюль). В сухопарниках пар оставляет излишнюю влагу, а оттуда по паропроводам поступает в цилиндры паровой машины, к ее поршням, через цилиндр золотников.

Паровая машина

Паровая машина имеет цилиндры силовых поршней и над ними расположены цилиндры поменьше – для золотников. Из цилиндров золотниковых, пар, через два канала, поступает в цилиндр главного поршня, с одного или другого торца, двигая тем самым поршень, в ту или другую стороны.

Паровая машина

А как это достигается?

Конечно, посредством расположенных в верхнем цилиндре золотников. Золотник представляет из себя два небольших поршня, расположенных на одном штоке, с обоих его сторон, скажем так, в виде гантели. Золотники передвигаются взад и вперед, перекрывая своим поршнем один канал для подачи пара и открывая другой, обеспечивая тем самым, возвратно-поступательные движения главного поршня. Как это происходит мы рассмотрим далее.

Поршень также располагается на штоке, один конец которого входит в зацепление с ведущим дышлом. Цилиндры паровой машины расположены с обоих сторон паровоза. Отработанный в цилиндрах пар выпускается через специальные клапаны, расположенные снизу с обоих концов цилиндра в атмосферу.

Движение паровоза

Теперь нам остается подать пар в цилиндры и ехать. Но ехать еще рано. Необходимо выбрать направление движения нашего паровоза, так сказать, отреверсировать. Как это достигается?

Мы уже коснулись такого понятия, как, кривошипно-шатунный механизм, так вот, все это его работа. Для изменения направления движения паровоза включается в работу кулисный механизм с сервомотором. Сервомотор представляет из себя обычный цилиндр, в нем находится поршень со штоком. Сервомотор переводится силой сжатого воздуха или силой пара, располагается, как правило, с правой стороны над экипажной частью. Управляет им машинист, посредством рычага реверса. Шток сервомотора соединен с верхней частью кулисы, согнутой в виде полумесяца деталью, с прорезью.

Сама кулиса закрепляется посредине к раме паровоза. В этой прорези находится устройство, называемое, кулисный камень. Кулисный камень передвигается в пазах кулисы, он соединен тягой со штоком золотников. Нижняя часть кулисы тягой соединяется с кривошипом главного ведущего колеса, на котором расположен эксцентрик. Таким образом шток сервомотора разворачивает кулису, в ней, вверх или вниз, перемещается кулисный камень, который своей тягой переводит золотники в одно из положений, необходимое для движения в ту или другую сторону, открывая тем самым нужный паропроводный канал над одной из сторон главного поршня. Другой тягой, расположенной в нижней части кулисы, переводится кривошип с эксцентриком, в сторону нужного направления движения.

Но это еще не все функции кулисного механизма, он очень важен, далее мы рассмотрим еще одну главную его функцию.

Ну теперь-то можно ехать? Попробуем. На торце котла, со стороны машиниста расположен регулятор, именно им регулируется подача пара в цилиндры. Это рычаг с рукояткой, имеющей фиксатор, расположенный на зубчатом секторе. Верхняя его часть тягой соединена со специальной заслонкой, расположенной в сухопарнике, которая регулирует величину подачи пара. Итак, паровоз отреверсирован, пар у нас есть, все, можно ехать.

Машинист переводит регулятор в первое положение, заслонка в сухопарнике открывается и пар пошел в цилиндры, через золотники, к главным поршням. Паровоз двинулся в нужную нам сторону.

Так вот, теперь уже кривошип главного колеса, вращаясь передвигает нижнюю часть кулисы, а эта нижняя часть, как нам уже известно, соединена со штоком золотников, посредством кулисного камня с тягой. Система парораспределения работает, золотники, соединенные тягой с кривошипом, двигаются взад и вперед, подавая пар то в один, то в другой канал цилиндра главного поршня, он перемещается и посредством штока перемещает главное (ведущее) дышло.

Так паровоз и движется. Главные колеса соединены с другими прицепными дышлами, таким образом работают на движение все колеса паровоза. Необходимо отметить, что шток поршня соединяется с ведущим дышлом посредством специального механизма – крейцкопфа.

Крейцкопф

Крейцкопф (ползун) – это деталь вышеописанного кривошипно-шатунного механизма, который совершает по неподвижным направляющим возвратно-поступательное движение. Применение крейцкопфа позволяет разгрузить поршень со штоком от действия силы нагрузки, в этом случае ее действие переносится на крейцкопф. Дополнительно создается вторая рабочая полость в цилиндре под поршнем. Таким образом один конец ведущего дышла закреплен в крейцкопфе, а второй посажен на кривошип.

Все ведущие колеса паровоза исполняются для облегчения веса с вырезами в виде спиц или отверстий. Обязательно эти колеса имеют противовесы.

Как правило бандажи главных колес не имеют гребней (безгребневые), это сделано для улучшения прохождения (вписывания) паровозом кривых.

На верхней части цилиндров паровой машины установлены пресс-масленки, для смазывания трущихся частей кривошипно-шатунного механизма. Сжатый воздух, необходимый для работы автотормозов состава и нужд самого паровоза получается в паровоздушном насосе, типа тандем компаунд. Расположен данный насос, как правило, в передней части паровоза, в зависимости от конструкции паровоза. Из насоса сжатый воздух поступает в главные резервуары, расположенные под котлом паровоза. Перед троганием с места цилиндры паровоза продуваются паром, для удаления влаги, во избежание гидравлического удара.

Источник статьи: http://dvizhenie24.ru/railway/writer/pos/kak-ustroen-i-rabotaet-parovoz/