Принцип работы парового двигателя

Паровые машины. Часть первая - двигатель.

Паровые машины. Часть первая - двигатель. - изображение 1 - изображение 1

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.

Паровые автомобили, обгоняющие самолеты: история - изображение 2 - изображение 2

Изобретение паровых машин стало переломным моментом в истории человечества. Где-то на рубеже XVII-XVIII веков началась замена малоэффективного ручного труда, водяных колес и ветряных мельниц на совершенно новые и уникальные механизмы – паровые двигатели. Именно благодаря им стали возможны техническая и промышленная революции, да и весь последующий прогресс человечества.

Первые опыты использования пара в механике были предприняты еще на заре нашей эры Героном Александрийским. Его устройство представляло собой шар с двумя закрученными выходными трубками-соплами, выходя из которых пар приводил шар в движение. Машина получила название эолипил или «сфера Герона». Существует предположение, что сам Герон непричастен к созданию данного механизма – он лишь первый его описал в своем труде «Пневматика», а сами лавры изобретателя принадлежат Ктесибию Александрийскому, жившему на 300 лет ранее. Однако в любом случае устройство, в силу своей ненадобности, было забыто более чем на полторы тысячи лет.

Принципы работы парового двигателя (стр. 1 из 5) - фото 3 - изображение 3

Позднее, уже в XVI веке, арабский философ и изобретатель Таги-аль-Диноме усовершенствовал машину Герона, заменив шар на колесо, приводимое в движение струей пара, направленной прямо на лопасти колеса. Нечто похоже предлагал позднее и итальянский инженер Джованни Бранка. Машина, именованная паровой турбиной, имела один очень большой недостаток – огромный расход пара, а соответственно и низкий коэффициент полезного действия. И снова дальнейшего развития работа над паровой машиной не получила – все еще не была ясна сфера применения данных исследований.

В 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.

И вот, наконец, к концу века французский врач Дени Папен изобрел первый паровой котел. В 1674 году медик-изобретатель создал пороховой двигатель. Его работа заключалась в том, что при возгорании пороха в цилиндре перемещался поршень. В цилиндре образовывался слабый вакуум, и атмосферное давление возвращало поршень на место. Образующиеся при этом газообразные элементы выходили через клапан, а оставшиеся охлаждались. К 1698 году Папену удалось создать по такому же принципу агрегат, работающий не на порохе, а на воде. Таким образом, первая паровая машина была создана. Несмотря на существенный прогресс, к которому могла привести идея, существенной выгоды она своему изобретателю не принесла. Связано это было с тем, что ранее другой механик, Сейвери, уже запатентовал паровой насос, а другого применения для подобных агрегатов к этому времени еще не придумали.

Паровоз. Как он устроен и работает. - фотография 4 - изображение 4

Конечно, Папена это не остановило. На 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.

Более удачливым в плане дивидендов оказался англичанин Ньюкомен. Когда Папен создал свою машину, Томасу было 35 лет. Он внимательно изучил работы Сэйвери и Папена и смог понять недостатки обеих конструкций. Из них он взял все лучшие идеи. Уже к 1712 году он создал свою первую модель.

Паровой двигатель в авиации - изображение 5 - изображение 5

Агрегат Ньюкомена поднимал воду из копей с помощью воздействия атмосферного давления. Машина отличалась солидными размерами и требовала для работы большого количества угля. Несмотря на эти недостатки, модель Ньюкомена использовали в шахтах полвека. Она даже позволила вновь открыть шахты, которые были заброшены из-за подтопления грунтовыми водами. В 1722 году детище Ньюкомена доказало свою эффективность, откачав воду из корабля в Кронштадте всего за две недели. Система с ветряной мельницей смогла бы сделать это за год. Из-за того, что машина была создана на основе ранних вариантов, английский механик не смог получить на нее патент. Конструкторы пытались применить изобретение для движения транспортного средства, но неудачно. На этом история изобретения паровых машин не прекратилась.

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.

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 основании предыдущих опытов работ по созданию пароатмосферных машин он сделал вывод, что для эффективности работы двигателя необходимо сравнять температуры воды в цилиндре и пара, который попадает в механизм. Новая паровая машина была сконструирована так, что цилиндр, заключенный в специальную рубашку из пара, постоянно находился в нагретом состоянии. Кроме того, Уатт так же создал специальный сосуд, погруженный в холодную воду – конденсатор. Когда пар отрабатывался в цилиндре, то через трубу попадал в конденсатор и там превращался обратно в воду.

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.

Паровые машины - фантастические технологии! - изображение 6 - изображение 6

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.

А как у паровых двигателей обстоят дела с коррозией?Что такое внешнее сгорание? Чем цилиндр отличается от дров в закрытой топке? Исключая скорость горения.А как же ползунов? Он же вроде раньше уатта был?

Паровые автомобили, обгоняющие самолеты: история

История изобретения паровых машин. Создание паровой машины - фотография 7 - изображение 7

Несмотря на архаичность конструкции, повозка развила приличную скорость, о чем свидетельствует конец первого в истории заезда: водитель не справился с управлением и врезался в стенку. Спустя сто лет паровые автомобили вовсю носились по городским улицам, развивая приличные даже по сегодняшним меркам скорости.

Понятие - фото 8 - изображение 8

В январе 1906 года Фред Мариотт на паровичке с удивительно скромным названием «Ракета», построенном компанией «Братья Стенлей», впервые в мире преодолел 200-километровую отметку, развив скорость в 205,4 км/ч. «Ракета» обгоняла не только любой автомобиль того времени, но и даже самолет. В следующем году прославленный гонщик разбился — опять же на паровом автомобиле. Как показало расследование, на скорости 240 км/ч. Напомним, шел 1907 год. К началу XX века по дорогам колесили уже десятки тысяч паровых автомобилей, в основном грузовиков. От бензиновых собратьев они отличались чрезвычайной долговечностью и надежностью и могли работать на всем, что горит, — угле, дровах, соломе. У этих машин была небольшая скорость (до 50 км/ч), они брали на борт сотни литров воды и выпускали пар в атмосферу.

В Европе паровые автомобили продержались до начала Второй мировой войны и еще в 50-е годы серийно выпускались в Бразилии. Однако были у замечательных машин и серьезные недостатки: после твердого топлива остается много золы и шлака, в его дымесодержится копоть и сера, что абсолютно неприемлемо для городских улиц. Но даже не копоть поставила крест на таких автомобилях. Дело в том, что растопка котла на твердом топливе длилась около двух часов. Поэтому их старались не гасить вовсе — на ночь котел подключали к зданию, нуждавшемуся в тепле, а утром через 10−15 минут автомобиль был готов отправиться в путь. Аналогично использовались железнодорожные паровозы — для отопления небольших поселков.

История изобретения - изображение 9 - изображение 9

Автомобиль на спирте

Альтернативой стал паровой автомобиль на жидком топливе: бензине, керосине и спирте. Казалось бы, зачем применять паровой котел, если жидкое топливо прекрасно горит и в двигателе внутреннего сгорания (ДВС)?

Но инженеры того времени рассуждали иначе. Многим из них казалось, что ДВС для транспорта не пригоден: его нельзя запустить, не размыкая трансмиссию, достаточно его притормозить, и он глохнет. ДВС не развивает достаточную тягу во всем диапазоне скоростей, и его приходится дополнять коробкой передач. А теперь посмотрите на паровую машину. Она обладает способностью автоматически приспосабливаться к дорожным условиям. Если сопротивление движению возрастает, она замедляет вращение и увеличивает крутящий момент. Если же сопротивление движению уменьшается, она вращается все быстрее и быстрее.

Вспомним паровоз. Поршень его паровой машины соединялся шатуном непосредственно с колесами. Сцепления и коробки передач не было и в помине. Простой подачей пара в цилиндр паровозы трогали с места тысячетонные составы, постепенно увеличивая их скорость, иной раз километров под двести. И все это делал без каких-либо промежуточных элементов простейший (если сравнивать с ДВС) двигатель.

Поэтому инженеры предпочитали изготовить легкий компактный парогенератор и обойтись лишь одной только паровой машиной, не прибегая к коробке передач и сцеплению.

Изобретения Дени Папена - фото 10 - изображение 10

Первые паровые автомобили на жидком топливе начинали движение уже через 23 минуты. Они выпускали пар в атмосферу, и им требовалось около 30 л бензина и более 70 л воды на 100 км пути. Именно такой двигатель стоял на чемпионской «Ракете».

Автомобиль для миллионеров

В 1935 году на Московском автозаводе им. Сталина (ныне ЗИЛ) появился легковой автомобиль высшего класса с кузовом из красного дерева на шасси «Паккард» из хромоникелевой стали. Этот автомобиль, сделанный американской фирмой «Беслер» по лицензии компании «Добль» в 1924 году, был паровым. Под его капотом размещались парогенератор и два (один за другим) радиатора. На заднем мосту стояла небольшая паровая машина, выполненная в едином блоке с дифференциалом. Сцепления, коробки передач и карданного вала на автомобиле не было. Управление двигателем осуществлялось педалью подачи пара. Изредка приходилось изменять отсечку — фазу прекращения впуска пара в цилиндр. Обычный поворот ключа зажигания — и через 45 секунд автомобиль трогается с места. Еще пара минут — и он готов начать разгон до скорости 150 км/ч с ускорением 2,7 м/с2.

Езда на паровом автомобиле — одно удовольствие. Он движется бесшумно и плавно. Тот самый «Добль-Беслер» продолжали испытывать и после войны. Вот что рассказывал инженер-испытатель автомобиля А.Н. Малинин.

Изобретения Томаса Ньюкомена - изображение 11 - изображение 11

В автoмобильной промышленности широко используются испытательные стенды с беговыми барабанами. На таком стенде автомобиль устанавливают ведущими колесами на специальные барабаны, которые имитируют дорогу: мотор работает, колеса вертятся, «дорога» движется, а машина стоит.

И вот однажды в кабину паровичка, стоявшего на таком стенде, сели Малинин и профессор Чудаков (мировая величина в области теории автомобиля). Сели и сидят в полной тишине. Только профессор кнопки нажимает и на приборы поглядывает. Инженер поскучал и спрашивает: «Не пора ли в путь?» «А мы давно уже едем», — отвечает профессор. Спидометр показывал 20 км/ч — величину по тем временам приличную.

По нашим понятиям улицы тогда были пустынны. Но чтобы услышать шум работы парового автомобиля даже на такой улице, приходилось прикладывать ухо к выхлопной трубе парогенератора. Тут тоже требуется пояснение. Двигатель автомобиля «Добль-Беслер» работал по замкнутому циклу с конденсацией пара.

Изобретение Уатта - фотография 12 - изображение 12

70 л воды хватало на 500 км езды. Выпускать пар на улицу приходилось лишь в редких случаях. Поэтому при хорошо сделанных механизмах в автомобиле просто ничего не могло шуметь, а из парогенератора доносился лишь шум пламени.

Ездить на всем, что горит

Сгорание топлива в цилиндре двигателя внутреннего сгорания (ДВС) протекает при постоянно меняющихся количестве кислорода и температуре, что приводит к образованию огромного объема токсичных веществ. Легковой автомобиль за час работы вырабатывает их достаточно для гибели не одного человека.

В горелке парогенератора все процессы протекают при постоянных и наилучших условиях, поэтому токсичность выхлопа парового автомобиля в сотни раз ниже, чем у автомобиля с ДВС. Проще говоря, сгорание топлива в парогенераторе — длительный непрерывный процесс, как в кухонной газовой горелке. В нем успевают полностью завершиться почти все реакции, чего не удается сделать в цилиндре ДВС.

Изобретение Ползунова - фотография 13 - изображение 13

Важнейший показатель автомобиля — расход топлива. «Добль-Беслер» выпуска 1924 года при массе 2200 кг в среднем расходовал 18 л бензина на 100 км. Это было довольно мало для того времени и оставалось приемлемо для машин такой массы на протяжении 40 лет. Заметим, что в горелке парогенератора могло гореть любое жидкое топливо — бензин, керосин, спирт, растительное масло, мазут… Хотя задача удешевления или экономии топлива в данном случае не ставилась. Автомобиль предназначался для миллионеров.

Наследник самогонного аппарата

Самый важный элемент автомобиля — парогенератор. Он был разработан американскими изобретателями братьями Добль еще в 1914 году и выпускался в Детройте. Он состоял из 10 соединенных последовательно плоских змеевиков в корпусе из жаропрочной стали. Стенки корпуса также были увиты трубками с водой. Холодная вода из конденсатора при помощи небольшого насоса подавалась вначале в трубку, обвивающую стенки корпуса, где немного подогревалась. Это уменьшало потери тепла через стенки. А дальше она поступала в змеевики, где закипала и превращалась в перегретый пар с температурой 450°C и давлением 120 атмосфер.

Принцип действия - изображение 14 - изображение 14

Такие параметры пара для того времени считались крайне высокими. Как говорит теория, с увеличением температуры и давления пара КПД паровой машины растет. Воспользовавшись этим, братья Добль сделали ее весьма экономичной и легкой. Она имела два цилиндра, и каждый из них был сдвоенным. Пар вначале подавался в верхнюю часть малого диаметра, где расширялся и совершал работу. После этого он поступал в нижнюю часть, имевшую большие диаметр и объем, где совершал дополнительную работу. Принцип двойного расширения был особенно полезен при движении по городу. Здесь часто (например, в момент разгона или троганья с места) в машину подавались большие порции пара, которые бы не сумели отдать всю свою энергию, расширяясь однократно.

Отработанный пар отдавал свое тепло холодной воде, поступавшей в парогенератор, и лишь только после этого попадал в конденсатор, где превращался в воду. Вода подавалась в парогенератор порциями, достаточными лишь для совершения одного-двух ходов поршня паровой машины. Поэтому в парогенераторе единовременно содержалось лишь несколько десятков граммов воды, и это его делало абсолютно взрывобезопасным. При разрыве трубки пар струйкой втекал в топку и автоматика выключала горелку. Подобный случай произошел лишь однажды — после пробега более чем в 200 тысяч километров. Об этом узнали только потому, что автомобиль перестал заводиться. Ремонт длился не более часа и сводился к замене змеевика.

Коэффициент полезного действия - изображение 15 - изображение 15

Куда они делись

Возникает вопрос: если паровые автомобили так хороши, то почему же они не вытеснили автомобили с ДВС? Паровой двигатель, насыщенный автоматикой, множеством вспомогательных агрегатов, в начале XX века был сложнее и дороже, чем ДВС, и при этом имел меньший КПД. К тому же, занимал довольно много места — в первую очередь из-за необходимости иметь отдельный бак с водой. Токсичность же выхлопа в те времена никто не ограничивал. И паровая машина проиграла.

С тех пор ДВС значительно усложнился, оброс электроникой, а для снижения токсичности его выхлопа используется специальная система. Сложными стали и трансмиссии. Так что неизвестно, на чем бы мы ездили сейчас, появись экологические требования на полвека раньше.

Принципы работы парового двигателя (стр. 1 из 5)

Преимущества - фотография 16 - изображение 16

Принцип действия парового двигателя

Rīga 2011

Содeржание

Аннотация

Ведение

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 двигательполезное 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 Паровойдвигатель

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.

Паровоз. Как он устроен и работает.

Недостатки - фотография 17 - изображение 17

Пишет XaHoPuK в сообществе Это интересно знать....

В соседнем сообществе и в своём блоге опубликовал статью о последнем Советском паровозе, здесь же хочу продолжить тему паровозов и рассказать о том как устроена и работает уникальная паровая машина, изобретённая ещё в 18 веке! Конструкция паровоза, это масса технических изобретений и идей, ибо заставить работать бесперебойно и безопасно паровую машину, в топке которой температура порой достигает 1800℃, а нагрузка в котлах паровозов повышенного давления доходит до 60 атм, при мощностях некоторых моделей до 8000 л.с., очень не просто! Паровозы, на протяжении всей своей истории, совершенствовались и модернизировались, для повышения надёжности конструкции и улучшения КПД, который так и не удалось поднять выше 9,22%, на сегодня, это лучший показатель, который был у советского паровоза ЛВ. Паровоз обслуживался бригадой из 3х человек — машинист, помощник и кочегар. В качестве топлива, в зависимости от модели, использовались, как твёрдое топливо — уголь, торф, древесина, так и нефтепродукты или газ.

Так как же устроен паровоз?

Применение - изображение 18 - изображение 18

К 175и летию железных дорог в Щербинке в 2012 году был показан макет паровоза в рарезе.

Обратимся к Википедии, там есть удачная картинка с описанием:

Стимпанк как веяние эпохи паровых машин - изображение 19 - изображение 19

Элементы конструкции паровоза типа 1-3-1: 1 — Тендер 2 — Будка машиниста 3 — Свисток 4 — Тяга от реверса к парораспределительному механизму 5 — Предохранительный клапан 6 — Турбогенератор 7 — Песочница 8 — Тяга регулятора 9 — Сухопарник 10 — Паровоздушный насос 11 — Дымовая коробка 12 — Паровпускные трубы 13 — Дверца дымовой коробки 14 — Поручень 15 — Поддерживающая тележка 16 — Площадка вокруг котла 17 — Рама экипажа 18 — Тормозная колодка 19 — Пескоподающая труба 20 — Сцепное дышло 21 — Парораспределительный механизм 22 — Тяговое дышло 23 — Шток 24 — Поршень 25 — Золотник 26 — Золотниковая коробка 27 — Топка 28 — Дымогарные трубы 29 — Цилиндрическая часть котла 30 — Жаровые трубы 31 — Регулятор/Дроссельная заслонка 32 — Коллектор пароперегревателя 33 — Дымовая труба 34 — Прожектор 35 — Рукав тормозной магистрали 36 — Ёмкость для воды 37 — Угольный ящик 38 — Колосниковая решётка 39 — Зольник 40 — Букса 41 — Рессорный балансир 42 — Рессора 43 — Движущие (сцепные) колеса 44 — Стойка рессоры/Шпинтон (?) 45 — Конус 46 — Бегунковая тележка 47 — Сцепное устройство

Описание работы паровоза в этом видео:

Подробное описание работы паровоза с гиф-анимацией, здесь.

Интересный фильм о паровозах:

Ну и фрагмент статьи из журнала Популярная механика:

STEAM ENGINE 21 столетия. ПАРОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ СВОИМИ РУКАМИ - изображение 20 - изображение 20

Вприхлопку: Как устроен паровозМашинисты паровозов всегда отличались богатырским здоровьем и хорошей зарплатой

Буквально какие-то 20 лет назад увидеть паровоз можно было запросто. Они стояли, заколоченные, на станциях. И вся инфраструктура тоже сохранялась на случай войны. Теперь все не так: нет ни паровозов (осталось, дай бог, штук триста на всю страну), ни машинистов — навыки уходят вместе с ветеранами. Как же функционирует стальная машина?

РастопкаХолодный паровоз доставляют в депо и ставят в стойло (термин, доставшейся чугунке в наследство от времен почтовых лошадей). Из котла вынимают мешочки с силикагелем — веществом, впитывающим влагу (его кладут в котел на время консервации паровоза). Отмывают соляркой детали от консервационной смазки. Доверху наполняют водой котел и тендер. Развешивают на колесах ведущие дышла и кулисные тяги. В топку сначала забрасывают негодные шпалы, дрова и доски, которые поджигают. Когда растопка запылает, осторожно бросают первые лопаты угля и ждут, когда он займется. Постепенно добрасывают еще и еще, пока вся колосниковая решетка не окажется охваченной ровным горящим слоем. Вода в котле закипит часа через три-четыре. Как только в котле создастся давление 34 атмосферы, паровоз делается вполне автономным: оживает сифон — устройство, создающее искусственную тягу в топке.

Начинается подготовка к рейсу. В тендер паровоза выливают порцию антинакипина. Один миллиметр толщины слоя накипи на трубах — это 600 кг (!) лишнего веса в котле. Раньше пробу воды снимали после каждого рейса: набирали воду в особый чайник из краника на котле, который так и называется — «водопробный», и сдавали в лабораторию. В лаборатории устанавливали необходимую дозу антинакипина, которая зависела от жесткости грунтовых вод на участке работы паровоза. До сих пор на тендерах паровозов можно встретить надпись: «Вода отравлена. Для питья непригодна». Впрочем, старики утверждают: «Сколько раз пили — и ничего».Из масленок с длинными носами заливают масло в смазочные пресс-аппараты, турбинку и воздушный насос. На паровозе масло применяется разных сортов, важно его не перепутать и не залить, скажем, в паровой цилиндр масло, предназначенное для смазки букс. Сегодня настоящие паровозные масла — «вапор», «цилиндровое», «вискозин» — также стали музейными экспонатами, и все заменяются обычным дизельным маслом. А на самых первых паровозах для смазки использовали говяжье сало, олеонафт и растительное масло.

Помощник машиниста ручным винтовым прессом вгоняет смазку в подшипники машины. Машинист тем временем обстукивает молоточком гайки на дышлах, тягах и крейцкопфах. Проверяет, надежно ли они затянуты, готов ли к пути механизм. На паровозе, как в оркестре, все на слух.

Стрелка парового манометра приближается к красной черте предельного давления. Можно ехать. Машинист спускает реверс на передний ход на полную отсечку, дает полнозвучный свисток и плавно открывает регулятор, вслушиваясь в дыхание машины. Плавно, потому что при резком открытии регулятора воду может подхватить и бросить из котла в цилиндры. Последствия бросания бывали таковы, что 300килограммовое дышло, вращающее ведущие колеса, сгибало в дугу, как пластилиновое, а с цилиндров сшибало чугунную крышку, привинченную 20 болтами.

Искусство киданияУправляет паровозом машинист, а вот топит не кочегар, как думает большинство непосвященных, а помощник машиниста. Отопление требует большого опыта, сообразительности, и слова «Бери больше — кидай дальше!» тут совершенно неприменимы.

Уголь забрасывают в топку вручную особой лопатой, сугубо паровозной, с длинным ковшом и коротким черенком. Угли бывают самые разные и сильно различаются как по размерам кусков, так и по свойствам: например, бурый подмосковный уголь паровозники звали «землей» — он почти не горел, приходилось заваливать им топку чуть не до потолка. А вот, скажем, донецкие антрациты горели очень жарко, но, если помощник упускал момент, плавились и заливали колосники, из-за чего прекращался доступ в топку воздуха — после этого паровоз оставалось лишь тушить и образовавшийся монолит разбивать отбойным молотком. Самые лучшие — так называемые газовые, длиннопламенные и паровично-жирные угли, сами названия которых, кажется, горят.

От того, насколько искусен помощник, зависит жизненно важный вопрос — хватит ли в пути пару? А кочегар на паровозе обычно выполняет лишь вспомогательные работы — смазывает буксы тендера, подгребает уголь в лоток, набирает воду из колонки и т. п. В старину кочегарами обычно были практиканты или пенсионеры.

Когда паровоз движется с работающей машиной, а не по инерции, топят «вприхлопку» — то есть помощник бросает уголь, а кочегар открывает дверцы топки только в момент броска лопаты и сразу же их закрывает, чтобы в топку не шел холодный воздух. Очень важно не переохлаждать котел: паровоз простужается как человек, но, увы, с куда более серьезными последствиями, вплоть до взрыва котла (мощностью с приличную фугасную бомбу), а иногда и улетания оного в небо, как ракеты, что в свое время случалось не так уж редко.

Работа на паровозе — нелегкий физический труд. Однако он всегда был высокооплачиваемым и очень престижным, овеян огромным уважением и почетом. Кроме того, по статистике паровозники были физически здоровее, чем их коллеги, работающие на тепловозах и электровозах. Когда машинист шел по улице в фуражке с особым белым кантом и поездочным «сундучком-шарманкой», встречные приветствовали его, снимая шапку.

ЗЫ: И в заключении рекомендую почитать Будни паровозной бригады, очень интересно!

Автор, спасибо большое, очень интересно и познавательно.

Живая техника.

супер интересно

Паровой двигатель в авиации

Какие моторы мы будем строить в этой статье и что нам для этого понадобится? - фотография 21 - изображение 21

Полезно знать (не ленитесь читать общие факты, они почти всегда оказываются полезны): - фотография 22 - изображение 22

engineering_ru

2015-09-30 14:55:00

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...

Свечной мотор: Самая простая, мембранная паровая машина - фотография 23 - изображение 23

Как и почему работает двигатель Стирлинга - изображение 24 - изображение 24

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:

Паровой двигатель: кратко о том, как он работает - фото 25 - изображение 25

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?Здесь и далее по книге Дузя П.Д. "Паровой двигатель в авиации", Оборонгиз, 1939 год.

Мощность [бензинового] мотора падает быстрее, чем плотность воздуха.

Паровая машина из сантехники - фото 26 - изображение 26

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.

Проблемы паровой машины, собранной из сантехнических узлов - изображение 27 - изображение 27

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.

Как работает локомотив - фотография 28 - изображение 28

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.

Паровая машина: теория, позволяющая расширить возможности моделирования - фото 29 - изображение 29

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.

Что не так с котлами и почему нельзя лошадей оставить в покое? - фотография 30 - изображение 30

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».

Одинарного и двойного действия: в чём там суть? - фото 31 - изображение 31

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.

Метки: авиация и воздухоплавание, история, пар

Паровые машины - фантастические технологии!

Паровой двигатель с качающимся цилиндром: самый простой из эффективных - фотография 32 - изображение 32

История создания паровой машины и ее применение - фото 33 - изображение 33

puli_snegopaqa

2019-08-03 00:55:00

Еще до нашей эры - фотография 34 - изображение 34

Сегодня общественность введена в заблуждение, когда речь заходит, почему не развиваются паровые технологии. Среднее мнение такое, что паровые технологии устарели и их заменили на более развитые. На самом деле это не так, ведь все атомные электростанции, подводные лодки - это и есть паровые технологии. То есть, никуда они не исчезли, их просто выдрали из рук общественности в угоду властьимущих.

Помните фильм "Гибридные технологии",

где было доведено, что мощь паровых изобретений в тысячу раз занижена и вообще нисколько не освещена? Так вот, те, кто пытался ознакомится с данной темой, могут заметить поразительную вещь, что в публикациях "первый паровой трактор" многие авторы противоречат друг другу, в каждой публикации указывая разных изобретателей, кто был первым и какая была первой модель парового трактора. Самые правдивые, это те, которые констатируют "когда был первый паровик, доподлинно неизвестно". А откуда это может быть известно, если патентное право, введенное в Великобритании и весьма ревностно охраняемое британскими законами, до 1800 года не позволяло никому строить самодвижущиеся экипажи с паровой силовой установкой. Также вспоминаем, что 1700-тые и 1800-тые года... это время, когда не то, что горели библиотеки и архивы по всему Миру, но также и целые каменные города с античными высотками.

Во-вторых, нам по традиции подпихивают под видом первого трактора, дескать непрактичного, неприспособленного, слаботехнологичного и некрасивого такое изображение:

Разработки - изображение 35 - изображение 35

И мало где пишется, что это не именно паровой трактор. Это перевозной паровой двигатель домашнего завода! От него работать могла лесопилка, мельница, домашняя ткацкая фабрика, можно использовать как генератор для добывания электричества и вообще можно модернизировать под любой вид производства на дому. То есть, в позднем средневековье люди могли себе позволить такую механическую роскошь, которой нам остается лишь завидовать. За то людям смотрящим в свои ладошки внушают что не работать на дядю, а иметь свое дело и свою собственную промышленность, это примитивность.

Хотя всё обстоит с точностью да наоборот. Экономист Брайян Артур писал "В 1890 было три способа двигать автомобили — с помощью пара, бензина и электричества. И один из них самый плохой — бензин". Но капиталисты начали развивать что? Правильно, самую беЗполезную технологию и вытеснять самое нужное.

В толпу вложили, что паровой транспорт медленный, что является полной дезинформацией, ведь мало кто в курсе, что паровые автомобили с успехом конкурировали с машинами с ДВС вплоть до 1930-х годов.В 1800-тых паровые автомобили вовсю носились по городским улицам, развивая приличные даже по сегодняшним меркам скорости. В январе 1906 года Фред Мариотт на паровичке с удивительно скромным названием «Ракета», разгонялся до 205,4 км/ч. «Ракета» обгоняла не только любой автомобиль того времени, но и даже самолет. В следующем году прославленный гонщик разбился — опять же на паровом автомобиле. Как показало расследование, на скорости 240 км/ч. В это время транспорт на бензине ползал черепашьей скоростью.

От бензиновых собратьев они отличались чрезвычайной долговечностью и надежностью. Что и говорить, если до сих пор в Великобритании паровые двигатели широкоиспользются. Могли работать на всем, что горит, — угле, дровах, соломе. Плюс не забываем котел можно разогревать и электроэнергией, которую можно получать от аккумулятора, от солнца, да и от движения самого транспорта.

Инженеры того времени рассуждали, что ДВС для транспорта не пригоден: его нельзя запустить, не размыкая трансмиссию, достаточно его притормозить, и он глохнет. ДВС не развивает достаточную тягу во всем диапазоне скоростей, и его приходится дополнять коробкой передач. А теперь посмотрите на паровую машину. Она обладает способностью автоматически приспосабливаться к дорожным условиям. Если сопротивление движению возрастает, она замедляет вращение и увеличивает крутящий момент. Если же сопротивление движению уменьшается, она вращается все быстрее и быстрее.

Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает в связи с низким атмосферным давлением. Другим преимуществом является низкое загрязнении окружающей среды.

Во-времена Союза на Московском автозаводе выпускался паравой автомобиль - обычный поворот ключа зажигания — и через 45 секунд автомобиль трогается с места. Еще пара минут — и он готов начать разгон до скорости 150 км/ч с ускорением 2,7 м/с2. Езда на паровом автомобиле — одно удовольствие. Он движется бесшумно и плавно. Однажды в кабину такого паровичка, сели Малинин и профессор Чудаков. Сели и сидят в полной тишине. Только профессор кнопки нажимает и на приборы поглядывает. Инженер поскучал и спрашивает: «Не пора ли в путь?» «А мы давно уже едем», — отвечает профессор. Спидометр показывал 20 км/ч — величину по тем временам приличную. По нашим понятиям улицы тогда были пустынны. Но чтобы услышать шум работы парового автомобиля даже на такой улице, приходилось прикладывать ухо к выхлопной трубе парогенератора. Тут тоже требуется пояснение. Двигатель автомобиля «Добль-Беслер» работал по замкнутому циклу с конденсацией пара. 70 л воды хватало на 500 км езды. Выпускать пар на улицу приходилось лишь в редких случаях. Поэтому при хорошо сделанных механизмах в автомобиле просто ничего не могло шуметь, а из парогенератора доносился лишь шум пламени.

Смотрим на дореволюционный мощный царский паровой трактор "Путиловец":

Неудавшаяся попытка Папена - изображение 36 - изображение 36

Ошибка - изображение 37 - изображение 37

А вот паровой кран в Гизборне (Новая Зеландия), 1889 год:

Последователи - фото 38 - изображение 38

Напоминаю, что по-мимо транспорта парового, широкоразвит был и электротранспорт - совмести эти две технологии, как в прошлом делали, и мы получаем абсолютно беЗтопливные безлошадники! Давайте еще немножко почитаем литературы из сети от людей, которые изучали паровые технологии, чтоб понять - все кто не поверхностно наслышан о паровых технологиях, а изучали, все эти люди в один голос говорят, что убийство паровых технологий и не развитие их, это притупление.

История создания паровой машины в России - изображение 39 - изображение 39

По нашим понятиям улицы тогда были пустынны. Но чтобы услышать шум работы парового автомобиля даже на такой улице, приходилось прикладывать ухо к выхлопной трубе парогенератора. Тут тоже требуется пояснение. Двигатель автомобиля «Добл-Беслер» работал по замкнутому циклу с конденсацией пара. Семидесяти литров воды хватало на 500 км езды. Выпускать пар на улицу приходилось лишь в редких случаях. Поэтому при хорошо сделанных механизмах в автомобиле просто ничего не могло шуметь, а из парогенератора доносился лишь шум пламени.

Вы представьте эту картину - машина не шумит, не гудит, Вы сидите за ней, как с книжкой у комина или как у костра, жаря шашлык

В отличие от паровых технологий, сгорание топлива в цилиндре двигателя внутреннего сгорания (ДВС) протекает при постоянно меняющихся количестве кислорода и температуре, что приводит к образованию огромного объема токсичных веществ. Легковой автомобиль за час работы вырабатывает их достаточно для гибели не одного человека. В горелке же парогенератора все процессы протекают при постоянных и наилучших условиях, поэтому токсичность выхлопа парового автомобиля в сотни раз ниже, чем у автомобиля с ДВС.

Парогенератор, превративший локомобиль в поистине уникальное транспортное средство, был разработан американскими изобретателями братьями Добл в 1914 г. Он состоял из 10 соединённых последовательно плоских змеевиков в корпусе из жаропрочной стали – типа усложнённого варианта самогонного аппарата. Холодная вода из конденсатора при помощи насоса подавалась в трубку, обвивающую стенки корпуса, где немного подогревалась, а дальше поступала в змеевики, закипала и превращалась в перегретый пар. Двигатель Добла запускался всего за полторы минуты!

Требования времени - фотография 40 - изображение 40

Возникает вопрос: если паровые машины так хороши, почему их не ставить на трактора или, например, на самолёты? Да и вообще на все транспортные средства? Почему они не вытеснили двигатели внутреннего сгорания? Ответ так же прост, как и горек: паровые автомобили и трактора были ликвидированы в результате сговора нефтяных компаний и крупнейших автопроизводителей – другой причины для победы более сложного, менее мощного и менее долговечного, к тому же загрязняющего воздух ДВС над паровым двигателем не было.

Всё просто: производство автомобилей с ДВС к 1920-м годам превратилось в колоссальный промышленный сектор, тесно связанный с нефтедобычей и нефтепереработкой. Автомобилестроение и нефтянка были способны задавить кого угодно, а локомобили «давить» было из-за чего: паровой двигатель работает не несколько лет, как ДВС, а все сто лет и больше. До сих пор есть аппараты, которым два века, а их можно о сих пор завести и ехать. И бензина ему не надо, и моторного масла; так, глядишь, вся нефтянка могла сойти на нет. И на рубеже 1920-1930-х годов с локомобилями начались неприятности. В 1933 г. английские законодатели ввели налог на грузовой транспорт, основанный на массе машины, что поставило тяжёлые паровые грузовики в невыгодное положение по сравнению с карбюраторными машинами, а в 1934 г. уменьшили тарифы на импортные нефтепродукты. «Странным образом исчезали доступные источники необходимой для котлов воды (придорожные колонки и резервуары), начались проблемы с поставщиками комплектующих деталей. Это вызвало проблемы со сбытом и производством – и, как следствие, финансовые затруднения. Локомобильных производителей медленно доводили до разорения, после чего их дело выкупали автомобильные компании. Затем цеха тут же закрывались, оборудование вывозили, а чертежи локомобилей прятали в архивы»

А теперь вспоминаем, что такая же история была и с трамваями:

В докладе советника Сената США Брэдфорда Снелла 1974 года были приведены доказательства того, что с 1936 по 1950 годы General Motors совместно с Firestone Tire, Standard Oil of California и Phillips Petroleum создавали подставные холдинговые компании, через которые скупали трамвайные линии и ликвидировали их. Применялись прямые угрозы, шантаж, обман и подкуп чиновников, использовались обширные связи руководства в правящих и банковских кругах. В итоге на смену трамваям постепенно пришли вонючие, медленные автобусы. Производителем этих автобусов были все те же General Motors.

Точно так же велась борьба и с электромобилями. Так, в 2006 г. в США вышел документальный фильм «Кто убил электромобиль?», рассказывающий о появлении, использовании, и провале электромобиля в США. Фильм раскрывает роли автопроизводителей, нефтяной промышленности и правительства США в ограничении разработок и распространения электромобилей. Эта история поразительна тем, что электромобили, изымавшиеся разными средствами у владельцев (выкуп, рекламации и т.д.) уничтожались – в частности, на заводах GM.

Между прочим, и паровой автомобиль конкуренты «убивали» не один раз. Появление всё более совершенных локомобилей в середине XIX в. В Англии очень встревожило извозчичьи компании, железнодорожников и владельцев грузовых барж (значительная часть грузов в этой стране перевозилась по рекам и каналам). Уже в 1831 г. под их прямым давлением пользование локомобилями было обложено высокими пошлинами и введено ограничение на их передвижение по общественным дорогам. А в 1865 г. парламент принял «Locomotive Act» - закон, ограничивающий скорость движения шестью милями в час (в городах – тремя) и требующий, чтобы перед самоходными машинами шёл человек, размахивающий красным флагом и дующий в сигнальную дудку. Аргументация противников автотранспорта была железной: машины, мол, слишком быстрые и представляют угрозу для пешеходов. Закон был отменён в 1896 г. – после появления автомашин с ДВС: бороться с ними железнодорожникам и речникам было не под силу. Но паровики сопротивлялись и даже в той же Англии пережили своего рода ренессанс популярности в 1920-е годы – в связи с удорожанием бензина. Однако набравшие силу конкуренты – уже не речники с железнодорожниками, а автоконцерны и нефтяные компании – не дремали, и в середине 1930-х звезда локомобилей закатилась.

В США братья Бесслер поставили паровой двигатель на самолёт. «12 апреля 1933 г. американские изобретатели братья Джордж и Уильям Бесслер совместно с инженером Натаном Прайсом продемонстрировали широкой публике вполне обычный с виду самолёт под названием Airspeed 2000. Хотя самолёт представлял собой просто переделанную классическую модель биплана, «начинка» его была весьма необычной, потому что пропеллер приводился в движение паровым двигателем. Двухцилиндровый V-образный паровой двигатель «выдавал» 150 л.с. Десяти галлонов воды хватало примерно на 600 км полета. Самолет имел огромное количество преимуществ перед машинами с ДВС. Во-первых, мощность двигателя не зависела от высоты полёта и степени разреженности воздуха - это было вечной проблемой бензиновых или дизельных двигателей. Если на небольшой высоте паровой двигатель и уступал в мощности двигателю внутреннего сгорания, то на высоте свыше 2000 м давал последнему немалую фору. Во-вторых, самолёт был совершенно бесшумным - только свист пропеллера. Это было неоценимым плюсом с точки зрения незаметности самолета во время боевых действий. Во всех газетах того времени промелькнула фраза о том, что, когда пилот разговаривает с пассажиром, их беседу можно услышать на земле! А ещё - простота конструкции, отсутствие необходимости в дорогостоящем топливе и маслах, экономичность, большой ресурс…

Особенно была отмечена способность самолёта к реверсивному ходу и быстрому торможению. Когда Airspeed 2000 приземлялся, пилот включал реверс – и пропеллер, вращаясь в обратную сторону, почти мгновенно и мягко, в отличие от тормозов на шасси, останавливал машину. Самолёты с ДВС на тот момент на такие «трюки» были не способны. Airspeed 2000 вполне успешно эксплуатировался (на службе в почтовом ведомстве США), но продолжения идея не получила. Самолет Бесслеров летал до 1936 г., после чего следы его теряются. Н. Прайс впоследствии предлагал свои идеи паровых авиадвигателей фирме «Локхид», но был отвергнут. Кроме братьев Бесслер, паровой самолет примерно в те же годы сделал Харольд Джонстон.

Статья в сборнике работ «Развитие паровых автомобилей и летательных аппаратов»: «По полученной из надежных источников информации, в пригороде Берлина в обстановке особой секретности на протяжении многих месяцев строится самолет, приводимый в движение паровым двигателем. Руководителем проекта является герр Хюттнер, ведущий инженер электростанции Клингенберг.. После опубликования технико-тактических характеристик летательного аппарата в газете The Daily Telegraph, чешский корреспондент, получивший доступ этой информации, был арестован в Берлине.

Казалось бы, где, как не в Советском Союзе, свободном от диктата нефтяных и автомобильных магнатов, стране с плановой экономикой, наладить выпуск машин с паровым двигателем?

Ведущие специалисты НАМИ, знакомые, естественно, с разработками Добла, в 1935 г. предложили советскому правительству начать работы по разработке паровых автомобилей, тракторов и бронетехники. Однако их призыв остался без ответа. В 1938 г. НАМИ всё-таки получил задание начать разработку таких машин, но… не получил финансирования. В 1949 г. Ярославский автозавод выпустил пробную партию грузовика НАМИ-012, паровой двигатель которого работал на дровах – для отдалённых лесодобывающих районов. Машина показала довольно высокие характеристики, но в серийное производство её отчего-то не пустили. Разработанные в начале 1950-х грузовики НАМИ-0125, работавший как на твёрдом, так и на жидком топливе, и НАМИ-012Б, работавший только на жидком топливе так и остались проектами, хотя были весьма перспективны. Объяснения этому решению найти трудно.

В СССР занимались и разработкой установки паровых машин на самолёты – тоже крайне перспективным направлением, не получившим развития в мире из-за противодействия авиастроительных и нефтяных компаний. Кстати, ещё в 1934 г. группа студентов Московского авиационного техникума - спроектировала (в качестве дипломной работы) паровой авиационный двигатель для учебного самолёта У-2. В 1939 г. авиаинженер-двигателист П. Дузь даже выпустил книгу «Паровой двигатель в авиации», но советское руководство этой темой не заинтересовалось, хотя самолёт с таким двигателем летал бы совершенно бесшумно и имел бы огромный потолок. То есть СССР мог бы получить бесшумные высотные истребители, бомбардировщики и транспортники – и получить громадное преимущество над авиацией противника в грядущей войне.

Почему же в не зависимом от «проклятых империалистов» СССР не начали серьёзно работать над паровыми двигателями (хотя локомобили малыми серями делали в Брянске, на дореволюционном заводе Мальцова, с 1873 по 1957 г.)? Тут мы вступаем в сферу догадок, доказательств никаких нет. Но всё же можно предположить: потому же, почему и на Западе. Советская экономика 1930-х годов зависела от поставок западной техники и оборудования, и советским начальникам иностранные партнёры наверняка объяснили: не надо никаких локомобилей. Тем более что в 1930-40-х годах в Москве жил знаменитый «красный миллионер», американец А. Хаммер, связанный как с нефтяной, так и с автомобильной промышленностью США (он создал нефтяную компанию Occidental Petroleum, а также лоббировал строительство Горьковского автозавода фирмой Ford). Ему, «другу» Ленина и Сталина, было легко объяснить «красным директорам», что ДВС куда лучше парового двигателя.

После «нефтяного шока» 1974 г. локомобили начала было выпускать шведская фирма SAAB, но что-то у неё не заладилось. В Великобритании сейчас паровыми автомобилями занимается маленькая компания Britain Steam Car Challenge: её Inspiration, кстати, - рекордный автомобиль, его максимальная скорость составляет 273,6 км/ч. Ещё Mercedes-Benz производит малыми сериями маневровые локомобили Unimog. Да в Башкортостане, в селе Михайловка, фермер сам смастерил паровой трактор «Орлик» и выложил рекламный ролик в интернете. А в Великобритании ежегодно проводят соревнования старинных локомобилей. И всё.

А ведь история мирового машиностроения в случае развития паровой техники могла бы пойти совершенно другим путём – в частности, человечество было бы избавлено от диктата нефтяных гигантов. И с экологией в городах дело обстояло бы несравненно лучше.

Конец публикации "Детективная история паровой машины". Как Вы уже убедились - тема обширная, интересная и как раз служит для того, для чего человечество вообще живет - это созидать, изобретать, развиваться. Но вместо этого нас заставляют день за днем, год за годом, крутится как белка в колесе тратя свое время на пустоту.

Пули Снегопада

Детективная история паровой машины: http://www.historicus.ru/detektivnaya_istoriya_parovoi_mashini/Паровички: быстрые, бесшумные и простые: https://www.popmech.ru/vehicles/8702-parovichki-bystrye-besshumnye-i-prostye-parovye-avtomobili/#part0

История изобретения паровых машин. Создание паровой машины

Первая паровая машина в мире - фотография 41 - изображение 41

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.

История изобретения

История изобретения паровых машин связана со знаниями древнегреческой цивилизации. Долгое время трудами этой эпохи никто не пользовался. В XVI веке была предпринята попытка создать паровую турбину. Работал над этим в Египте турецкий физик и инженер Такиюддин аш-Шами.

Интерес к этой проблеме вновь появился в XVII веке. В 1629 году Джованни Бранка предложил свой вариант паровой турбины. Однако изобретения теряли большое количество энергии. Дальнейшие разработки требовали соответствующих экономических условий, которые появятся позднее.

Первым, кто изобрел паровую машину, считается Дени Папен. Изобретение представляло собой цилиндр с поршнем, поднимающимся за счет пара и опускающимся в результате его сгущения. Такой же принцип работы имели устройства Сэвери и Ньюкомена (1705). Оборудование применяли для выкачивания воды из выработок при добыче полезных ископаемых.

Окончательно усовершенствовать устройство удалось Уатту в 1769 году.

Изобретения Дени Папена

Дени Папен был по образованию медиком. Родившись во Франции, в 1675 году он переехал в Англию. Он известен многими своими изобретениями. Одним из них является скороварка, которую называли «Папенов котел».

Ему удалось выявить зависимость между двумя явлениями, а именно температурой кипения жидкости (воды) и появляющимся давлением. Благодаря этому он создал герметичный котел, внутри которого давление было повышено, из-за чего вода закипала позже обычного и повышалась температура обработки помещенных в него продуктов. Таким образом увеличивалась скорость приготовления пищи.

В 1674 году медик-изобретатель создал пороховой двигатель. Его работа заключалась в том, что при возгорании пороха в цилиндре перемещался поршень. В цилиндре образовывался слабый вакуум, и атмосферное давление возвращало поршень на место. Образующиеся при этом газообразные элементы выходили через клапан, а оставшиеся охлаждались.

«Шарлотта Дандас» - изображение 42 - изображение 42

К 1698 году Папену удалось создать по такому же принципу агрегат, работающий не на порохе, а на воде. Таким образом, первая паровая машина была создана. Несмотря на существенный прогресс, к которому могла привести идея, существенной выгоды она своему изобретателю не принесла. Связано это было с тем, что ранее другой механик, Сейвери, уже запатентовал паровой насос, а другого применения для подобных агрегатов к этому времени еще не придумали.

Дени Папен умер в Лондоне в 1714. Несмотря на то, что первая паровая машина была изобретена им, он покинул этот мир в нужде и одиночестве.

Изобретения Томаса Ньюкомена

Более удачливым в плане дивидендов оказался англичанин Ньюкомен. Когда Папен создал свою машину, Томасу было 35 лет. Он внимательно изучил работы Сэйвери и Папена и смог понять недостатки обеих конструкций. Из них он взял все лучшие идеи.

Первый пароход в мире - изображение 43 - изображение 43

Уже к 1712 году в сотрудничестве с мастером по стеклам и водопроводам Джоном Калли он создал свою первую модель. Так продолжилась история изобретения паровых машин.

Кратко можно пояснить созданную модель так:

  • Конструкция совмещала в себе вертикальный цилиндр и поршень, как у Папена.
  • Создание пара происходило в отдельном котле, который работал по принципу машины Сэйвери.
  • Герметичность в паровом цилиндре достигалась за счет кожи, которой был обтянут поршень.

Агрегат Ньюкомена подымал воду из копей с помощью воздействия атмосферного давления. Машина отличалась солидными размерами и требовала для работы большого количества угля. Несмотря на эти недостатки, модель Ньюкомена использовали в шахтах полвека. Она даже позволила вновь открыть шахты, которые были заброшены из-за подтопления грунтовыми водами.

В 1722 году детище Ньюкомена доказало свою эффективность, откачав воду из корабля в Кронштадте всего за две недели. Система с ветряной мельницей смогла бы сделать это за год.

Из-за того, что машина была создана на основе ранних вариантов, английский механик не смог получить на нее патент. Конструкторы пытались применить изобретение для движения транспортного средства, но неудачно. На этом история изобретения паровых машин не прекратилась.

Изобретение Уатта

Первым изобрел оборудование компактных размеров, но достаточно мощное, Джеймс Уатт. Паровая машина была первой в своем роде. Механик из университета Глазго в 1763 году принялся чинить паровой агрегат Ньюкомена. В результате ремонта он понял, как сократить расход топлива. Для этого необходимо было держать цилиндр в постоянно нагретом состоянии. Однако паровая машина Уатта не могла быть готова, пока не решилась проблема конденсации пара.

Решение пришло, когда механик проходил мимо прачечных и заметил, что клубы пара выходят из-под крышек котлов. Он понял, что пар – это газ, и ему нужно перемещаться в цилиндре с пониженным давлением.

Добившись герметичности внутри парового цилиндра с помощью пеньковой веревки, пропитанной маслом, Уатт смог отказаться от атмосферного давления. Это стало большим шагом вперед.

Паровая машина - фотография 44 - изображение 44

В 1769 году механик получил патент, в котором прописывалось, что температура двигателя в паровой машине будет всегда равна температуре пара. Однако дела незадачливого изобретателя шли не так хорошо, как ожидалось. Он был вынужден заложить патент за долги.

В 1772 году он знакомится с Мэтью Болтоном, который был богатым промышленником. Тот выкупил и вернул Уатту его патенты. Изобретатель вернулся к работе, поддерживаемый Болтоном. В 1773 году паровая машина Уатта прошла испытание и показала, что потребляет угля значительно меньше своих аналогов. Через год в Англии начался выпуск его машин.

В 1781 году изобретателю удалось запатентовать свое следующее творение – паровую машину для приведения в движение промышленных станков. Спустя время все эти технологии позволят двигать при помощи пара поезда и пароходы. Это полностью перевернет жизнь человека.

Одним из людей, изменивших жизнь многих, стал Джеймс Уатт, паровая машина которого ускорила технический прогресс.

Изобретение Ползунова

Проект первой паровой машины, которая могла приводить в действие разнообразные рабочие механизмы, был создан в 1763 году. Разработал его русский механик И.Ползунов, работавший на горнорудных заводах Алтая.

Начальник заводов был ознакомлен с проектом и получил добро на создание устройства из Петербурга. Паровая машина Ползунова была признана, и работа по ее созданию была возложена на автора проекта. Последний хотел сперва собрать модель в миниатюре, чтобы выявить и устранить возможные недочеты, которые не видны на бумаге. Однако ему приказали начать строительство большой мощной машины.

Ползунову предоставили помощников, из которых двое были склонны к механике, а двое должны были выполнять подсобные работы. На создание паровой машины ушел один год и девять месяцев. Когда паровая машина Ползунова была почти готова, он заболел чахоткой. Умер создатель за несколько дней до проведения первых испытаний.

Принцип работы парового двигателя - фото 45 - изображение 45

Все действия в машине проходили автоматически, она могла работать беспрерывно. Это было доказано в 1766 году, когда ученики Ползунова провели последние испытания. Спустя месяц оборудование было сдано в эксплуатацию.

Машина не просто окупила затраченные средства, но и дала прибыль своим владельцам. К осени котел дал течь, и работы остановились. Агрегат можно было починить, но это не заинтересовало заводское начальство. Машина была заброшена, а спустя десятилетие разобрана по ненадобности.

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.

Принцип работы парового двигателя - фото 46 - изображение 46

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.

Принцип работы парового двигателя - фото 47 - изображение 47

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

Кто изобрел паровую машину, уже известно. Осталось узнать, где их применяли. 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:

  • автомобиль;
  • трактор;
  • экскаватор;
  • самолет;
  • локомотив;
  • судно;
  • тягач.

Такова история изобретения паровых машин. Кратко можно рассмотреть удачный пример о гоночном автомобиле Серполле, созданном в 1902 году. На нем был установлен мировой рекорд по скорости, который составил 120 км в час на суше. Именно поэтому паровые авто были конкурентоспособными по отношению к электрическим и бензиновым аналогам.

Так, в США в 1900 году больше всего было выпущено паровых машин. Они встречались на дорогах до тридцатых годов ХХ века.

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.

Стимпанк как веяние эпохи паровых машин

Принцип работы парового двигателя - фото 48 - изображение 48

Говоря о паровых машинах, хочется упомянуть о популярном направлении – стимпанке. Термин состоит из двух английских слов - «пар» и «протест». Стимпанк - это вид научной фантастики, которая повествует о второй половине XIX века в викторианской Англии. Данный период в истории часто упоминается как Эпоха пара.

Все произведения имеют одну отличительную особенность – они повествуют о жизни второй половины XIX века, стиль повествования при этом напоминает роман Герберта Уэллса «Машина времени». В сюжетах описываются городские пейзажи, общественные строения, техника. Особое место уделяется дирижаблям, старинным машинам, причудливым изобретениям. Все металлические детали крепились при помощи клепок, поскольку сварку еще не применяли.

Термин «стимпанк» возник в 1987 году. Его популярность связана с появлением романа «Разностная машина». Написан он был в 1990 году Уильямом Гибсоном и Брюсом Стерлингом.

В начале XXI века в этом направлении было выпущено несколько известных кинофильмов:

  • «Машина времени»;
  • «Лига выдающихся джентльменов»;
  • «Ван Хельсинг».

К предтечам стимпанка можно отнести произведения Жюля Верна и Григория Адамова. Интерес к этому направлению время от времени проявляется во всех сферах жизни – от кинематографа до повседневной одежды.

STEAM ENGINE 21 столетия. ПАРОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ СВОИМИ РУКАМИ

Принцип работы парового двигателя - изображение 49 - изображение 49

Для кого эта статья? Что это за «мы» - люди, которые в 21 столетии, в цифровую эпоху, в период высочайших компьютерных технологий, строят паровую машину и радуются, когда всё кипит, вращается и пыхтит?

Честно говоря я, как и многие из вас, часто слышал вопрос: «ЗАЧЕМ ТЫ ЭТО ДЕЛАЕШЬ?» и вразумительного ответа дать не мог. В голову приходят надуманные идеи: сделать модель паровоза без электричества; сделать паровой генератор и заряжать телефон без розетки; создать станок, работающий от котла; «вытаскивать» полезную работу от сгорания дров в печи… И т.д. и т.п. Но мы-то с вами понимаем, что все эти ответы – чушь несусветная. Генератор тока? Тогда, собирайте на ДВЗ! Всегда ведь можно купить 125 кубовый движок китайского мопеда Дельта и вырабатывать реальных 12 Вольт, от которых десяток галогенок стабильно будет светить ярким светом, а небольшой аккумулятор ёмкостью 7 Ач сможет отлично заряжаться. Для создания паровой машины мощностью в 1 лошадиную силу нам потребуется столько усилий приложить, столько сложностей преодолеть, что игра не стоит свеч… 

… Или стоит? 

Ответ на этот тупиковый вопрос: «Зачем мы собираем паровой двигатель?» я обнаружил случайно в сети. Мужчина, который очень успешно превратил ржавый двигатель Москвича в отличную паровую машину, дал очень простой ответ: «А рыбу зачем ловят? А пьянствуют зачем?» 

Принцип работы парового двигателя - фото 50 - изображение 50

Jeep Wrangler с паровым двигателем. Низкая мощность 130 л.с. и бешенный крутящий момент 3390 Нм.

Да, действительно, удовольствие от строительства сложных систем сложно сравнить с чем-либо. Инженерное творчество – особая деятельность, которую сложно сравнить с какой-либо другой. Моделирование – настоящая творческая работа и когда ваш двигатель начнет работать, вы можете считать себя успешным мастером, который прошел целый путь, повторив достижения великих ученых, найдя что-то для себя и пройдя огромный этап истории машиностроения лично.

Применить паровой двигатель действительно можно. Да, он вырабатывает электрический ток; да, его можно установить в модель паровоза или машинки; да, из него можно сделать паровой автомобиль, мотоцикл или катер, который будет ездить на дровах и угле.

Какие моторы мы будем строить в этой статье и что нам для этого понадобится?

Как и все мастера-паровики, я искал много материала и не всем написанным был доволен. Много сумбурного в Интернете, много необъяснённого на просторах YouTube. Поэтому и было решено: напишу брошюру, новый материал, в котором соберу всё, что касается моего (и не только моего) опыта. Расскажу те подводные камни, на которые суждено наткнуться каждому, вскрою все тайны и создам настоящий паровой контент!

О каких машинах пойдёт речь и почему только о них? Двигатели внутреннего сгорания меня на данный момент не интересуют: ни двухтактные, ни четырёхтактные, никакие. Причина: бензин, керосин или спирт – т.е. все виды топлива, которые должны сгорать от электрической искры. Запомним: НИКАКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА НЕТ! Всё наше моделирование ограничивается концом 17-ого – началом 18 столетия. Мы можем ВЫРАБАТЫВАТЬ электричество, но ни в коем случае не потреблять.

Принцип работы парового двигателя - фото 51 - изображение 51

Уголь превращается в движение

Что у нас есть из ресурсов? Собственно то, что даровано матушкой-природой в изобилии: вода, воздух и дерево. Вода пусть кипит, дерево пусть горит, воздух пусть расширяется или сжимается. Это должно нам принести мощность, крутящий момент и КПД.

Что у нас есть из инструментов? Изначально, когда я только загорелся этой идеей, я понял, что без паяльника, токарного станка, сварочного аппарата, тисков, сверлильного станка и множества разных трубок, уголков и пластин будет тяжело. Однако, пришлось выкручиваться. И… получилось! Некоторые модели паровых машин оказались очень и очень производительными, для них не потребовались ни токарные, ни сверлильные, ни фрезерные работы.

Какие машины мы будем собирать? Тепловые и паровые, высокотемпературные и низкотемпературные. Поясню подробнее.

Существуют, так называемые, двигатели Стирлинга – они работают без водяного пара, полезную работу совершает воздух, расширяясь под действием высокой температуры и сжимаясь при охлаждении. Их всегда ставят отдельно от паровых машин, хотя, на самом деле, между ними много общего. Существуют стирлинговые моторы альфа, бета и гамма – типа. Их коэффициент полезного действия намного выше паровых систем, однако мощность ниже. Очень многие не углубляются в проектирование паровых двигателей, им достаточно тепловых стирлингов. Мы будем рассматривать низкотемпературные машинки и высокотемпературные. Если последние приводятся в движение пламенем от свечи или спиртовки, то первые успешно запускаются даже от стакана с горячим чаем или… теплом ладони.

Что касается паровых машин, то мы рассмотрим множество видов, каждый из которых мне посчастливилось строить и испытывать. Мы рассмотрим простые свечные моторы, в которых вообще нет ни поршней, ни цилиндров, рассмотрим золотниковые двигатели (с треугольником тяги и без него) – такие, какие используются в паровозах. Также мы рассмотрим самый простой и продуктивный с точки зрения моделирования паровой двигатель – машину с качающимся цилиндром. 

Особое внимание я решил уделить инструментам и материалам, которые могут потребоваться, а также финансам, которые понадобятся нам для постройки. Моя задача – сделать всё малой кровью, но аккуратно и очень точно.

Полезно знать (не ленитесь читать общие факты, они почти всегда оказываются полезны):

Двигатель Ньюкомена: начало паровой эры

Паровой двигатель - это машина, которая преобразует тепловую энергию пара в механическую энергию посредством поршня, движущегося в цилиндре. По сути, паровую машину можно считать конвертером тепловой энергии в механическую. 

Как двигатель внешнего сгорания (поскольку он сжигает свое топливо вне двигателя) паровой двигатель пропускает свой пар в цилиндр, где пар затем толкает поршень вперед и назад. Именно с этим движением поршня двигатель может выполнять механическую работу. Паровой двигатель был главным источником энергии промышленной революции (которая началась в Англии в XVIII веке) и доминировал в промышленности и транспорте в течение 150 лет. Он по-прежнему полезен сегодня в решении многих задач, во многих развивающихся странах.

Да, вам не послышалось! Паровые машины и нынче массово используются в Англии, Германии, Франции. Что касается стран со слабой экономикой, то паровая тяга в буквальном смысле слова обслуживает сельское хозяйство.

Самые ранние известные паровые машины были новинками, созданными греческим инженером и математиком Героном (Heron) из Александрии (ок. 10-70), жившим в первом веке нашей эры. Его самое знаменитое изобретение называлось аэлиопилом. Это изобретение представляло собой небольшой полый шар, к которому были прикреплены две изогнутые трубки. Сфера была прикреплена к котлу, который производил пар. Когда пар выходил из полых трубок сферы, сама сфера начинала вращаться. Герон и несколько других греков разработали множество других паровых устройств, таких как паровой орган и автоматические двери, но всегда в контексте игр и развлечений, казалось бы, без всякого интереса к использованию пара в практическом плане. Тем не менее, их работа установила принцип паровой силы, и их игривые устройства были реальной демонстрацией преобразования паровой силы в какой-то вид движения.

Изучая историю Древнего Рима я заметил, что многие технические достижения наших древних предков почти вплотную подходили к созданию паровой машины: создавались насосы ля пожарников, паровые игрушки для музыки… Ещё немного и паровой трактор мог выйти на дороги Рима. 

Хотя греки установили принцип паровой энергии, он был проигнорирован в течение более чем 1500 лет до конца 1600-х годов в Европе. В течение этого длительного периода основными источниками энергии были сначала мускульная сила человека или тягловые животные, а затем энергия ветра и воды. Ветряные мельницы и водяные колеса были вполне пригодны для медленных, повторяющихся работ, таких как измельчение кукурузы, в которых перебои в подаче энергии не имели большого значения. 

Однако для некоторых работ, таких как откачка воды из шахтного ствола, источник энергии, который мог бы прекратиться в любой момент, не всегда был способен решать поставленные задания. На самом деле, сама глубина английских шахт побуждала инженеров разрабатывать насосы, которые были бы быстрее, чем старые водяные насосы. К середине XVI века работа над воздушными насосами утвердила представление о поршне, работающем в цилиндре, и примерно в 1680 году французский физик Дени Папен (1647-1712) поместил немного воды на дно трубы, нагрел ее, превратил в пар и увидел, что расширяющийся пар с силой толкает и перемещает поршень прямо перед собой. Когда трубка остыла, поршень вернулся в прежнее положение. Хотя Папен прекрасно сознавал, что создал двигатель, который в конечном счете мог бы работать, его отпугнули вполне реальные механические трудности того времени, и он решил работать в меньшем масштабе — создать первую в мире скороварку.

Вслед за Папеном английский военный инженер Томас Савери (1650-1715 гг.) построил то, что большинство считает первым практическим паровым двигателем. В отличие от системы Папена, эта машина не имела поршня, так как Савери хотел только черпать воду из угольных шахт глубоко под землей. Зная, что он может использовать пар для создания вакуума в сосуде, он соединил такой сосуд с трубой, ведущей в воду внизу. Затем вакуум втягивал воду в трубку и выдувал ее под давлением пара. Система Савери была названа «другом Шахтера», поскольку она поднимала воду из шахт с помощью всасывания, производимого конденсацией пара. Несколько лет спустя английский инженер и партнер Савери Томас Ньюкомен (1663-1729) усовершенствовал паровой насос, вновь введя поршень. К 1712 году он построил двигатель, который использовал пар при атмосферном давлении (обычная кипящая вода), которую изготовить сегодня в силах каждый школьник. Его поршневой двигатель был очень надежен и вошел в общее употребление в Англии в 1725 году. Его машина называлась лучевым двигателем, потому что в верхней части у нее была огромная качалка, или Пильная балка, движение которой передавало энергию от единственного цилиндра двигателя к водяному насосу.

Понимание того, как работал двигатель Ньюкомена, дает представление обо всех более поздних паровых двигателях. 

Во-первых, вся машина помещалась в машинном отделении высотой примерно в три этажа, из верхней стены которого торчала длинная Дубовая Балка, способная качаться вверх и вниз. Дом был построен в стороне от шахты. В нижней части вала находился водяной насос, который соединялся с двигателем длинной насосной штангой. Под балкой внутри дома находился длинный медный цилиндр, стоявший на кирпичном котле. Котел питался углем и подавал пар. Внутри цилиндра находился поршень, который мог скользить вверх и вниз и был соединен с балкой наверху. Двигатель всегда заводился с поршнем в верхнем положении. Затем пар наполнил цилиндр из открытого клапана. При заполнении цилиндр распылялся водой, что приводило к тому, что пар внутри него конденсировался в воду и создавал частичный вакуум. С помощью этого изобретения давление наружного воздуха заставило бы поршень опуститься вниз, который качал балку и тянул вверх штанги насоса и всасывал около 12 галлонов (45 л) воды. Затем поршень возвращался в исходное положение (вверх) в цилиндре, и процесс повторялся. Помимо того, что он назывался лучевым двигателем, двигатель Ньюкомена также назывался атмосферным мотором, поскольку он использовал давление воздуха для перемещения поршня (вниз).

Джеймс Уатт: первая паровая машина классической конструкции

Думаю, слово «Ватт» знакомо всем. Именно в Ваттах измеряется мощность (а также киловаттах, мегаваттах и пр.). Лошадиная сила – тоже размерность мощности. Всему этому мы обязаны мистеру Уатту.

Наиболее важное усовершенствование конструкции парового двигателя было осуществлено имеено им, шотландским инженером Джеймсом Уаттом (1736-1819). В 1763 году Уатта попросили отремонтировать двигатель Ньюкомена, и он сам удивился тому, насколько неэффективна эта машина. Он намеревался улучшить его работу и к 1769 году пришел к выводу, что если пар конденсируется отдельно от цилиндра, то последний всегда может оставаться горячим. В том же году он представил паровую машину с отдельным конденсатором. Поскольку это позволяло разделить процессы нагрева и охлаждения, его машина могла работать постоянно, без долгих пауз на каждом цикле, чтобы снова нагреть цилиндр. Уатт продолжал совершенствовать свой двигатель и сделал три весьма значительных дополнения. 

Во-первых, он сделал модель двойного действия, позволив пару входить попеременно с обеих сторон поршня. Это позволяло двигателю быстро работать и подавать мощность как на нисходящий, так и на восходящий ход поршня. 

Во-вторых, он изобрел свою солнечно–планетарную передачу, способную переводить возвратно-поступательное движение во вращательное. 

В-третьих, он добавил центробежный регулятор, который поддерживал постоянную частоту вращения двигателя, несмотря на различные нагрузки. Это высоко инновационное устройство знаменует собой раннее начало автоматизации, поскольку Уатт создал систему, которая была по существу саморегулирующейся. 

Уатт также изобрел манометр, который он добавил к своему двигателю. К 1790 году усовершенствованные паровые двигатели Ватта стали мощным и надежным источником энергии, который можно было найти практически в любом месте. Это означало, что заводы больше не должны были располагаться рядом с источниками воды, а могли быть построены ближе к их сырьевым и транспортным системам. Более того, именно паровой двигатель Уатта ускорил промышленную революцию как в Англии, так и во всем остальном мире.

Однако паровой двигатель Уатта не был совершенным и имел одно главное ограничение: он использовал пар при низком давлении. Пар высокого давления мог извлекать большую мощность, уменьшая при этом размеры самого мотора.

Первым, кто показал какой-либо реальный успех, был английский изобретатель Ричард Тревитик (1771-1833). К концу XVIII века металлургические технологии стали совершенствоваться, и Тревитик верил, что сможет построить систему, которая будет обрабатывать пар под высоким давлением. К 1803 году Тревитик построил мощный двигатель высокого давления, который он использовал для питания поезда. Его технические новшества были поистине замечательными, но двигатели высокого давления снискали такую дурную славу в Англии, что прошло двадцать лет, прежде чем английский изобретатель Джордж Стивенсон (1781-1848) доказал свою состоятельность с помощью собственных локомотивов.

Однако в Соединенных Штатах было мало предубеждений против паровой энергии или почти ничего о ней не знали. К концу XVIII века Эванс начал работу над паровым двигателем высокого давления, который он мог использовать в качестве стационарного двигателя для промышленных целей, а также для наземного и водного транспорта. К 1801 году он построил стационарный двигатель, который использовал для дробления известняка. Его главное новшество в области высокого давления заключалось в том, что цилиндр и коленчатый вал располагались на одном конце балки, а не на противоположных концах. Это позволило ему использовать гораздо более легкую конструкцию.

За эти годы Эванс построил около 50 паровых двигателей, которые использовались не только на заводах, но и для питания землеройной машины-амфибии. Пар высокого давления управлял этой странной на вид баржей, которая представляла собой земснаряд, способный передвигаться как по суше, так и по воде. Это была первая автомобильная машина с двигателем, которая работала в Соединенных Штатах.

Несмотря на тяжелую работу Эванса и его подлинный гений, его новаторские «паровые» решения не имели большого реального успеха в течение всей его жизни. Он часто встречал безразличие или просто нежелание со стороны фабрикантов менять свои старые привычки и переходить на пар. Использование пара для движения по суше было сдержано плохими дорогами, личным интересом к лошадям и прискорбно недостаточными материалами. После Эванса пар высокого давления стал широко использоваться в Америке, в отличие от Англии, где замена двигателей низкого давления Уатта заняла много времени. Но тем не менее были сделаны усовершенствования, и железо в конечном итоге заменило древесину в конструкции двигателей, а горизонтальные двигатели стали еще более эффективными, чем старые вертикальные.

Ну что, истории довольно. Переходим непосредственно к изучению основ и моделированию.

Свечной мотор: Самая простая, мембранная паровая машина

Изначально, у меня не было в планах рассказывать про эту «игрушку». Если ты собираешь поршневую систему с пальцами, цилиндрами, кривошипами и шатунами, то не можешь себе позволить размениваться на идеи, для которых нужна всего одна трубка.

Однако, дабы отдохнуть от создания паровых двигателей, радостей успехов и горечи неудач, я всё же решил сделать это устройство и был очень доволен результатом.

Те, кто занимаются моделированием кораблей и самоходных катеров, и не  хотят использовать электромотор, могут обратить внимание на это интереснейшее изобретение. Оказывается, ему больше столетия и такие лодки действительно строили в конце 19 века.

Стоимость материалов – минимальна. Инструменты? Желательно иметь паяльник, ножницы, канцелярский нож и всякую мелочь.

Названий у этого изобретения – множество. Кто-то называет его мембранным двигателем (из-за наличия мембраны в котле), кто-то свечным из-за того, что работает он от свечки), кто-то реактивным паровым водомётом (из-за того, что лодка движется по сути из-за реактивной тяги кипящих струй воды). Однако самым ходовым названием такой игрушки является термин «поп-поп-лодка».

Поп-поп-лодка - это игрушка с очень простым паровым двигателем без движущихся частей (поршни, шатуны, маховики), которые приводятся в действие свечой, спиртовкой или горелкой растительного масла. Название происходит от шума, производимого некоторыми версиями лодок. Они издают очень интересный звук, словно на борту настоящий дизельный мотор.

Поп-поп-лодки обычно делаются из жести. Корпус лодки может быть изготовлен из любого материала, который плавает. Самодельные поп-поп-лодки часто делаются из дерева или пенопласта.

Принцип работы парового двигателя - фотография 52 - изображение 52

Так выглядит игрушка в заводском исполнении. В Китае может стоить до 3 долларов. Но самому ведь сделать интереснее!

Двигатель лодки состоит из котла и одной или нескольких выхлопных труб. Хотя можно использовать одну выхлопную трубу, гораздо чаще используются две выхлопные трубы. Это происходит потому, что котел и выхлопные трубы должны быть заполнены водой, а использование двух труб позволяет впрыскивать воду в одну трубу, в то время как воздух внутри двигателя выходит через другую трубу. Более трудно извлечь воздух и полностью заполнить одиночные типы выхлопных труб. Котел и выхлопные трубы обычно изготавливаются из металла, причем олово или медь являются наиболее удачными вариантами.

Принцип работы парового двигателя - фото 53 - изображение 53

Самодельная конструкция. Спираль внутри ёмкости – и есть котёл

Конструкции котлов различаются. Обычно применяют простые металлические контейнеры в форме коробки или цилиндра. Более эффективный котел может быть изготовлен с помощью металлического поддона, верхняя часть которого представляет собой слегка вогнутую диафрагму, изготовленную из очень тонкого, пружинистого металла. Многие поп-поп-лодки использовали одну металлическую трубку, которая была сформирована в виде катушки в ее центре и оставлена прямо на обоих концах, чтобы сформировать выхлопы. Змеевик в этой версии функционирует как котел.

Существует очень простой способ самостоятельно изготовить такой двигатель из банки от пепси и двух шариковых ручек. Строится такая машинка за час.

Берём банку с Пепси-колой. Банку следует брать только новую, запечатанную. Делаем осторожно отверстие и спускаем через него весь напиток. Рядом делаем второе отверстие. Оба отверстия должна находится на линии параллельной оси банки.

Принцип работы парового двигателя - фотография 54 - изображение 54

Банка от пепси, два отверстия и два корпуса ручек.

В отверстия необходимо вставить две трубки. Конечно идеальными будут медные трубки, но подойдут и стеклянные от шариковых ручек. Главное, чтобы между ручками и банкой не было никаких щелей и люфтов – совсем никаких! Конструкция должна быть герметичной, единственными отверстиями через которые воздух может попасть в банку являются – трубки.

Принцип работы парового двигателя - фотография 55 - изображение 55

Лодка и двигатель в сборе. Концы трубок должны быть в воде.

Учитывая, что у нас трубки из стеклопластика, то оптимальным будет эпоксидная смола или холодна сварка. Трубки отлично будут держаться на ней, а все зазоры будут плотно загерметизированы. Под котлом помещается какой-то нагревательный элемент. Обычно используются свечи или небольшие масляные горелки. 

Внутрь банки набирается вода (через трубки), вода начинает вскипать, пар выходит через трубки и толкает лодку вперед. Новая, холодная вода набирается за счёт разницы давлений и цикл повторяется снова и снова. Двигатель будет функционировать до тех пор, пока будет гореть свеча. Характерный «дыр-дыр» звук возникает из-за вибрирования стенок банки.

Первый патент на дизайн поп-поп двигателя был оформлен Томасом Пиотом в 1891 году. Двигатель диафрагменного типа был запатентован Полом Джонсом в 1934 году (котел плоский, с медной мембраной). Двигатель катушечного типа, из патентной заявки, поданной Уильямом Перселлом в 1920 году (в качестве котла использована спираль).

Как мы уже отметили, Поп-поп-лодка приводится в действие очень простым тепловым двигателем. Этот двигатель состоит из небольшого котла, который соединен с выхлопной трубой. Когда тепло подается в котел, вода в котле испаряется, образуя пар. Расширяющийся пар внезапно выталкивается из котла, издавая звук "поп", и выталкивает часть воды из выхлопной трубы, толкая лодку вперед. Котел теперь сухой, и поэтому больше не может генерировать пар. Импульс столба воды в выхлопной трубе заставляет его двигаться наружу, так что давление внутри котла падает ниже атмосферного давления. В случае двигателя диафрагменного типа котел также выпячивается внутрь в этот момент, также издавая хлопающий звук. Давление снаружи котла теперь заставляет воду возвращаться в котел. Затем эта вода закипает, и цикл повторяется. Хлопающий шум более выражен, когда используется мембранный котел: змеевиковые котлы гораздо тише.

Принцип работы парового двигателя - фотография 56 - изображение 56

Схема поп-поп лодки из патента 1931 года

Любой воздух в котле может действовать как пружина и поддерживать колебания воды, но если в котел поступает слишком много воздуха, колебания прекратятся, потому что вся вода была вытеснена, и пар не может быть произведен. Вода содержит некоторое количество растворенного воздуха, который может накапливаться в двигателе во время работы. Поэтому двигатели должны периодически "отрыгивать" воздух, чтобы работать в течение длительного времени.

В лодках поп-поп с двумя выхлопными трубами (которую я и предлагаю изготовить из банки пепси) вода выталкивается из обеих труб во время первой фазы цикла и втягивается из обеих труб во время второй фазы цикла. Вода не циркулирует в одной трубке и не выходит через другую. Это своего рода импульсный реактивный двигатель.

Как и почему работает двигатель Стирлинга

Двигатели насыщали наш мир со времен промышленной революции: сначала грязные угольные паровые двигатели, затем более чистые и эффективные бензиновые двигатели, а в последнее время реактивные двигатели в самолетах. Основная концепция двигателя — то, что использует разницу между высокой температурой и низкой — не изменилась за пару сотен лет, хотя иногда люди все еще придумывают небольшие улучшения, которые делают процесс немного быстрее или эффективнее. 

Один двигатель, о котором вы, возможно, много слышали в последнее время (и хотели его построить) - это двигатель Стирлинга, который немного похож на паровой двигатель, однако он совсем не использует пар! Вместо этого он нагревает, охлаждает и перерабатывает один и тот же воздух или газ снова и снова, чтобы получить полезную мощность, которая способна управлять машиной. Объединившись с солнечной энергией и другими новыми технологиями, двигатели Стирлинга звучат как передовые технологии, но на самом деле они существуют с 1816 года. Давайте поближе посмотрим, как они работают!

Принцип работы парового двигателя - фото 57 - изображение 57

Настольная рабочая модель двигателя Стирлинга

Двигатели, приводящие в движение транспортные средства или заводские машины, являются примерами того, что ученые называют тепловыми двигателями. Они сжигают богатое энергией топливо (уголь, бензин или что-то еще), чтобы высвободить тепловую энергию, которая используется для расширения и охлаждения газа, толкания поршня, поворота колеса и привода машины. 

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. Теория того, как работает двигатель, основана на разделе физики, который называется термодинамика (буквально "как движется тепло") и на теоретической модели того, как идеальные двигатели расширяют, сжимают, нагревают и охлаждают газ в серии шагов, называемых циклом.

Двигатель хороший и двигатель плохой

Прежде, чем мы сможем узнать, что же такого хорошего в двигателях Стирлинга, нам будет полезно узнать, что такого плохого в паровых двигателях. Как они работают? У вас 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). Об этом мы позже поговорим более подробно, однако принцип работы интуитивно можно понять уже сейчас.

Детали парового двигателя

Принцип работы парового двигателя - фото 58 - изображение 58

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). 

Принцип работы парового двигателя - изображение 59 - изображение 59

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. (Вот почему паровозы должны постоянно останавливаться у железнодорожных цистерн с водой.)

Что такое двигатель Стирлинга?

Можем ли мы создать двигатель, который преодолеет эти проблемы? Предположим, мы избавимся от котла (что позволит устранить риск взрыва) и используем тепло от огня для непосредственного питания двигателя. Тогда, вместо того чтобы использовать пар для перемещения тепловой энергии от огня к цилиндру, почему бы не поставить цилиндр ближе к огню и использовать обычный воздух (или какой-то другой простой газ, например водород или гелий) для перемещения тепловой энергии между ними? 

Если мы запечатаем этот воздух в закрытой трубе, так что один и тот же воздух движется туда и обратно снова и снова, собирая энергию от огня и выпуская ее в цилиндр, мы решим проблему двигателя, нуждающегося в постоянной подаче воды. Наконец, почему бы не добавить какой-нибудь теплообменник, чтобы при прохождении горячего воздуха взад и вперед его энергия удерживалась внутри машины и перерабатывалась для повышения общей эффективности. 

Это основные способы, которыми двигатель Стирлинга улучшает работу паровой машины. Иногда вы можете увидеть двигатели Стирлинга, описанные как "замкнутые, регенеративные тепловые двигатели", что является очень кратким способом сказать то, что мы только что сказали: замкнутый цикл означает, что они используют герметичный объем газа для перемещения тепла вперед и назад, снова и снова, через серию бесконечно повторяющихся шагов; регенеративный просто означает, что они используют теплообменники, чтобы сохранить часть тепла, которое в противном случае было бы потеряно на каждом цикле (бесполезно раздувается дымовая труба, как это происходит в паровом двигателе).

Двигатель простой и сложный

Некоторые люди говорят, что двигатели Стирлинга просты. Если это так, то это так же верно, как и то, что великие уравнения физики (например, E = mc2) просты: они просты на поверхности, но богаче, сложнее и потенциально очень запутанны, пока вы действительно не поймете их. 

Я думаю, что безопаснее думать о моторах Стирлинга как о сложных: множество очень плохих видео на YouTube показывают, как легко "объяснить" их очень неполным и неудовлетворительным способом. На мой взгляд, вы не можете понять двигатель Стирлинга, просто построив его или наблюдая за его работой снаружи: вам нужно хорошенько подумать о цикле шагов, через который он проходит, что происходит с газом внутри и чем это отличается от того, что происходит в обычном паровом двигателе.

Во всяком случае, давайте посмотрим, сможем ли мы правильно объяснить двигатель Стирлинга, изучив компоненты из которых он состоит, затем подумав о том, что они делают, и, наконец, взглянув на более сложную (термодинамическую) теорию.

Принцип работы парового двигателя - фотография 60 - изображение 60

Простой двигателя Стирлинга (низкотемпературный) помещается в руку

Маленькие, компактные двигатели Стирлинга, такие как этот, могут работать от крошечных перепадов температур—даже если они опираются на чьи-то руки (температура нагревателя уже 36,6 градусов) 

Ключевые компоненты

Существует довольно много различных конструкций двигателей Стирлинга, и мы рассмотрим один конкретный тип, содержащий вытеснитель (также известный как бета-двигатель Стирлинга). Ключевые компоненты:

Источник тепла

Источником тепла является устройство, откуда двигатель получает всю свою энергию, и это может быть что угодно-от угольного костра до солнечного зеркала, концентрирующего тепло Солнца. Несмотря на то, что двигатели Стирлинга описываются как двигатели внешнего сгорания, они вовсе не обязательно должны использовать горение (фактическое сжигание топлива): им просто нужна разница в температуре между источником тепла (откуда берется энергия) и теплоотводом (где она заканчивается).

Вы можете управлять маленьким двигателем Стирлинга с помощью тепла от чашки кофе, теплой ладони чьей-то руки или даже (к полному изумлению многих людей) с помощью кубика льда: энергия, которую двигатель выпускает, исходит из любой разницы в температуре между источником тепла и теплоотводом. 

Внутри машины в закрытом цилиндре находится объем газа, который постоянно запечатан. Это очень важно понимать! Двигатель Стирлинга – это не почти герметичная конструкция и не очень плотная, а совсем герметичная, вплоть до создания вакуума (если потянуть за цилиндр). Это может быть обычный воздух, водород, гелий или какое-либо другое легкодоступное вещество, которое остается газом, когда оно нагревается и охлаждается в течение полного цикла двигателя (повторная серия операций, через которые он проходит). Его единственная цель состоит в том, чтобы переместить тепловую энергию от источника тепла к теплоотводу, питая поршень, который приводит машину в движение, а затем вернуться обратно, чтобы забрать еще немного теплоты. Газ, который перемещает тепло, иногда называют рабочим телом.

Радиатор

Место, где горячий газ охлаждается перед возвращением к источнику тепла. Это, как правило, своего рода радиатор (кусок металла с прикрепленными ребрами), который выбрасывает отработанное тепло в атмосферу.

Поршни

Существуют различные типы двигателей Стирлинга, но я считаю, что все они имеют два поршня—это одна из наиболее очевидных вещей, которая отличает их от других двигателей. В общей конструкции, называемой двухпоршневым (или альфа - двигателем Стирлинга), есть два одинаковых поршня и цилиндра, а газ перемещается между ними взад и вперед, нагреваясь и расширяясь, затем охлаждаясь и сжимаясь, прежде чем цикл повторится.

Принцип работы парового двигателя - фотография 61 - изображение 61

Схема работы двигателя Стирлинга альфа-типа

В другой конструкции, называемой двигателем смещения (или бета) Стирлинга, есть один полностью внутренний поршень, называемый вытеснителем (окрашенный в зеленый цвет), работа которого заключается в перемещении газа между источником тепла и теплоотводом. 

Принцип работы парового двигателя - фотография 62 - изображение 62

Схема работы двигателя Стирлинга бета-типа

В отличие от обычного поршня в паровом двигателе, вытеснитель помещается очень свободно (с небольшим запасом места между краем поршня и стенкой цилиндра), и газ обтекает его снаружи, когда он движется вперед и назад. Есть также рабочий поршень (окрашенный в темно-синий цвет), который плотно входит в цилиндр и превращает расширение газа в полезную работу, которая приводит в действие все, что приводит в действие двигатель. В больших двигателях Стирлинга рабочий поршень обычно имеет тяжелый маховик, прикрепленный для создания импульса и поддержания плавной работы машины. Рабочий поршень и поршень вытеснителя постоянно движутся, но они не идут в ногу (один четверть цикла или 90° вне фазы) друг с другом; они приводятся в действие одним и тем же колесом, но поршень вытеснителя всегда на одну четверть цикла (90°) впереди рабочего поршня.

Делаем простой двигатель Стирлинга, который точно будет работать

Если вы интересовались двигателями Стирлинга или хотите их сотворить сами, то, вероятно, видели сотни роликов на Youtube, где мастера своего дела делали эти моторы и из консервных банок, и из обычных стеклянных бутылок, и из куска жести. 

Я тоже видел все эти мастер-классы. Говоря честно, у меня такие моторы работали очень плохо. Практически никогда системы не были полностью герметичны и двигатель в самом лучшем случае делал всего несколько циклов, которые я считал победными.

Однако мотор должен работать стабильно, долго и безотказно. На мой взгляд, двигатель Стирлинга должен быть изготовлен максимально аккуратно, лишь тогда он будет работать быстро, а воздух, зажатый в замкнутую циркуляционную систему, никогда его не покинет.

Поэтому вместо безумной резки жести, сверления консервных банок, я решил использовать стеклянный шприц, а точнее 2 таких изделия.

Принцип работы парового двигателя - фотография 63 - изображение 63

Стеклянный шприц

Существует два типа стеклянных шприцов – с металлическим поршнем и с поршнем стеклянным. Нам не подходят металлические поршни, так как в поршне находится прокладка, которая очень тормозит поршень и просто не позволяет ему передвигаться. Если мы уберем прокладку, то постройка машины провалится, так как воздух будет очень резво выходить между поршнем и стенками шприца.

Двигатель Стирлинга своими руками

Нужен только шприц со стеклянными поршнями. Они абсолютно герметичны, поршни легко ходят, они выдерживают порядка 200-300 градусов. Эти изделия словно созданы для двигателя Стирлинга.

Очень серьезно нужно подойти к раме мотора. Этого никто не скажет, так как «главное, чтобы крутилось», но я убедительно рекомендую делать двигатель Стирлинга не спеша, от этого будет зависеть его функционирование.

Принцип работы парового двигателя - фото 64 - изображение 64

Делаем подставку из фанеры 30 мм.

Я использовал фанеру 30 мм. В ней следует сделать два отверстия для шприцов и разрезать осторожно изделие вдоль отверстий. Я обошел без сверлильного станка и лобзика. Главное никуда не торопиться – и всё получится.

Принцип работы парового двигателя - фото 65 - изображение 65

Вот такой крепёж должен получиться

Затем разрезаем изделие вдоль отверстий, создавая нечто на подобии струбцин (тисков) для шприцов. 

После чего делаем три отверстия, которые могут быть использованы для зажимных винтов.

Принцип работы парового двигателя - изображение 66 - изображение 66

Должно получиться что-то вроде этого

Не забываем на всех стадиях работы использовать наждачную бумагу, чтобы края были ровные, гладкие, словно ваш двигатель только выпущен с самого завода.

Каждая зазубринка, заусеница и неточность потом обязательно «вылезет боком» и даст о себе знать. Главное не торопиться. Вообще, в любого рода моделировании нужно получать удовольствие от самого процесса изготовления, не только от результата.

Шатуны, штоки и кривошипные механизмы можно делать из фанеры, но фанера сильно крошится при распиливании и остается очень много заусенец. Я использовал уплотненный пластик, гененакс и всё, что хорошо режется, шлифуется и поддаётся обработке.

Принцип работы парового двигателя - изображение 67 - изображение 67

Будущие кривошипы

Можно ли использовать палочки для мороженного и «мешалочки» для кофе? Можно, но не нужно, они слишком гнуться когда двигатель начинает работать и иногда клинят всю систему.

Палочки скругляем и сверлим отверстия. С одной стороны уплотняем вторым слоем.

Принцип работы парового двигателя - изображение 68 - изображение 68

Готовая деталь

Теперь нужно что-то придумать с концами поршней стеклянных цилиндров. Я пробовал срезать их, стачивать и просто сверлить. Сверлить не советую, стекло крошится. Срезать болгаркой не только не эффективно, но и опасно. Если есть бормашина – дерзайте, если нет – делайте множество засечек ножовкой и срезайте держатель поршня.

Затем нам нужно сделать крепёж. Его делаем из двух маленьких брусочков.

Принцип работы парового двигателя - фото 69 - изображение 69

Держатели поршня

После обточки, шлифовки держателей, их нужно на эпоксидную смолу установить в сам поршень.

Принцип работы парового двигателя - изображение 70 - изображение 70

Держатель установлен и обезжирен

Дальше нам нужен маховик. Можно использовать колесо от тележки, несколько склеенных компакт-дисков или даже отлитую самостоятельно из свинца болванку (так советовали советские учебники, ноя этого не делал).

Я же после десятка неудачных попыток купил готовыцй 60-миллиметровый маховик. 

Принцип работы парового двигателя - фотография 71 - изображение 71

Маховик 60 мм.

Следует признать, что когда я сделал всё правильно, то мотор работал на всех маховиках – и дисках, и колесиках. Место крепления должно быть смещено от центра на половину хода поршня цилиндра. Запомните это правило, оно очень важное.

Также запомните второе правило: рычаги крепления на маховиках должны быть смещена на 90 градусов друг относительно друга.

Принцип работы парового двигателя - изображение 72 - изображение 72

Почти вся конструкция в сборе

Один шприц, таким образом, у нас играет роль нагревателя, второй – холодильника.

Следует ли расположить в нагревательном шприце кусочек металлической ваты? На мой взгляд, да, стоит. Работает двигатель и с ней, и без неё, однако металлическая вата быстрее нагревает воздух внутри системы и мотор раскочегаривается чуть активнее.

Соединять концы шприцов-цилиндров можно обычной трубкой для капельницы, однако она быстро становится мягкой при нагреве. Поэтому я соединил их медной трубкой, упакованной в трубку для капельниц. У такого метода есть еще большой плюс – воздух лучше остывает в медной трубке.

Принцип работы парового двигателя - фото 73 - изображение 73

Двигатель Стирлина альфа-типа в сборе и готов к работе

Принцип работы парового двигателя - фото 74 - изображение 74

В процессе работы от спиртовки

Такой моторчик развивал у меня 750 оборотов в минуту без метталлической ваты в цилиндре и 790 оборотов с металлической ватой. Работал более 4 часов непрерывно. Возможно работал бы и до сих пор, но закончился спирт в спиртовке.

Главный недостаток двигателя Стирлинга

Что изготовить: двигатель Стирлинга или паровую машину? Казалось бы, Стирлинг действительно во всём намного лучше парового двигателя, однако это не совсем так. Да, КПД двигателя Стирлинга и правда выше, он требует меньше затрат и работает совсем без выхлопа. Однако, есть одно значительное «но». 

Мною был проведен очень интересный, я бы даже сказал забавный эксперимент. Забавность его заключалось в том, что я изначально знал как будут обстоять дела, однако результат эксперимента поразил меня! 

И так рабочим телом в двигателе Стирлинга является воздух. Он расширяется и совершает полезную работу. Возьмём пустой стальной баллончик от СО2  и наденем на него шарик.

ВНИМАНИЕ! Если вы решили выпустить углекислый газ из такого баллончика, сделайте это правильно – медленно выпустите весь газ, лишь затем сверлите отверстие в горловине. Быстрый прокол может привезти к взрыву баллончика и стальным осколкам!

Затем начнем нагревать этот баллончик. Воздух расширяется и по идее должен раздуть шарик наполнить его. Однако он лишь немного натягивает латекс и на этом вся полезная работа завершается. Энергии у воздуха не хватит для того, чтобы растянуть поверхность шарика, надуть его.

Однако добавим 10-20 капель воды в баллон и повторим эксперимент. Вода закипит и быстро раздует наш шарик.

Таким образом полезная мощность у водяного пара в разы больше. Именно водяной пар использовался в тяжеловесных локомотивах и это не случайно – там, как говорил один машинист, дури столько, что можно шар земной сдвинуть.

Если мы хотим собрать толковую модель, которая будет ездить на тепловой энергии, куда эффективнее использовать водяной пар, а значит конструировать паровой двигатель.

Паровой двигатель: кратко о том, как он работает

Для привода паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям.

Принцип работы парового двигателя - изображение 75 - изображение 75

Принцип работы парового двигателя

Принцип действия поршневой паровой машины показан на иллюстрации. 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).

Поршень образует в цилиндре паровой машины одну или две полости переменного объёма, в которых совершаются процессы сжатия и расширения, что показано 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. Первичный поршневой двигатель предназначен для преобразования потенциальной тепловой энергии (давления) водяного пара в механическую работу. Рабочий процесс паровой машины обусловлен периодическими изменениями упругости пара в полостях её цилиндра, объём которых изменяется в процессе возвратно-поступательного движения поршня. Пар, поступающий в цилиндр паровой машины расширяется и перемещает поршень. Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется с помощью кривошипно-шатунного механизма во вращательное движение вала. Впуск и выпуск пара осуществляются системой парораспределения. Для снижения тепловых потерь цилиндры паровой машины окружаются паровой рубашкой.

Моменты начала и конца процессов расширения и сжатия пара дают четыре основные точки реального цикла паровой машины: объём Ve, определяемый точкой 1 начала или предварения впуска; объём конца впуска или наполнения Е, определяемый точкой 2 отсечки наполнения; объём предварения выпуска или конца расширения Va, определяемый точкой 3 предварения выпуска; объём сжатия Vc, определяемый точкой 4 начала сжатия. В реальной паровой машине перечисленные объёмы фиксируются парораспределительными органами.

И так, это была сухая теория. Теперь перейдем к более понятной практике. От гувернора (центробежного регулятора) мы отказываемся. А золотник (клапан) сильно упрощаем.

Пар из котла попадает в небольшой цилиндр, называемый золотником. Его обычно можно делать из тонкой медной трубки. Посередине трубки делается отверстие, пар из которого попадает в рабочий цилиндр и толкает поршень. Однако, поршень золотникового клапана перекрывает иногда это отверстие. Поршень золотникового клапана и рабочий поршень можно делать из холодной сварки, трубку золотникового цилиндра можно припаять прямо на рабочий цилиндр. А маховик и кривошипы можно делать точно так же, как мы делали их для двигателя Стирлинга выше.

Однако не всё так просто.

Когда я попытался сразу сделать такой мотор, у меня почти ничего не вышло – поршни клинили, а пар никак не мог ничего сместить. Маховик был то слишком легкий, то слишком тяжелый. 

Прежде, чем сделать его правильно, я выполнил ещё одну очень интересную модель – двигатель из сантехнических узлов. Звучит это несколько дико, однако результат просто прекрасный: во-первых, не нужно ничего паять, во-вторых, не нужно ничего вытачивать.

Паровая машина из сантехники

Есть такая вещь, как пневматический режим паровой машины. Когда ваш двигатель собран, вы можете его проверить на работоспособность без кипячения воды, без пара. Достаточно просто подуть в штуцер водяного пара и крутануть маховик. Машина должна прийти в действие. Чем легче вам дуть в такой двигатель, тем лучше он будет работать, тем меньше потребуется воды и пара.

Начиная собирать двигатель и тестируя его, я понял, что паровой котёл – куда более важная деталь, чем весь двигатель. Он может быть недостаточно эффективным просто потому, что в нём не всё герметично, либо потому что его стенки слишком толстые и вода кипит очень медленно.

И так, начнем с цилиндра и золотника. За основу берется сантехника с резьбой ½ дюйма. В качестве рабочего цилиндра используется сгон пол-дюйма, в качестве золотника тройник с внутренним диаметром меньше, чем у сгона.

Кто же у нас поршни? Решение пришло неожиданно и оказалось очень и очень эффективным. В качестве поршней выбираются подшипники. Во-первых он идеально круглый,; во-вторых, в нём есть отверстие, которое очень нужно для посадки поршня на шток.

В рабочий цилиндр устанавливался в качестве поршня подшипник с внешним диаметром 19 мм. (вообще поршень 19 мм. идеально подходит для цилиндра-сгона) и внутренним М6. В золотник я установил 6 шайб, но, как оказалось, в строительном магазине были подшипники меньше, просто я их не нашел. Советую всё-таки не допускать мою ошибку и устанавливать подшипники и в цилиндр и клапан.

Велосипедные спицы – идеальны при создании кришипных механизмов, но у меня их не было, поэтому я пошел более сложным путем – в качестве штока использовал фрагмент болта М6 (часть где нет резьбы), а в качестве кривошипов использовал полосы фанеры.

Принцип работы парового двигателя - фото 76 - изображение 76

Сантехнический поршень и золотник (система газораспределения)

Рабочий цилиндр устанавливался на два хомута, которые прикручивались к плотной деревянной подушке.

Что делает кран между золотником и цилиндром? Оказалось, что маховик и его тяги слишком широки, а бочонка или малого сгона, который бы соединял клапан и цилиндр у меня не было. Пришлось импровизировать. Не допускайте моей ошибки – устанавливайте золотник прямо на сгон цилиндра. В противном случае цилиндр и золотник находятся не в одной плоскости, краник приходится фиксировать на силикон, он плавится под действием пара и всё приходит в полную негодность.

А вот котёл был практически идеален, единственное, что угнетало – слишком малый объём и пара недостаточно много. Котёл, собранный таким образом, просто отлично подходит, поскольку сантехнические узлы выдерживают колоссальное давление и можно не переживать, что пар разорвет его изнутри (консервные банки и банки от ананасов – разрывало только так).

Принцип работы парового двигателя - фотография 77 - изображение 77

Котёл, собранный из сантехники

За основу брался сгон диаметром в 1 дюйм. С одной стороны надевалась заглушка (закрутить до упора), с другой стороны устанавливаем чугунный переходник на пол-дюйма. Далее ставим бочонок и уголок типа «мама-мама», который формирует сухопарник. Здесь нужно сделать небольшое отступление.

Котёл – самая важная часть всей затеи. Проблема паровой машины в том, что она очень часто гонит вместе с паром воду. Сухопарник – это удлинение, в которое вода просто не может долететь и поэтому выходит в машину лишь пар. На практике это оказалось не совсем так, поэтому дюймовый котловой сгон установлен под небольшим наклоном, чтобы вода скапливалась не в сухопарнике.

Дальше от уголка вверх идёт опять сгон пол-дюйма, после чего устанавливается крестовина. Почему крестовина, почему не тройник? Или совсем не уголок? Дело всё в том, что данная модель котла – упрощенная, поскольку она не вмещает много воды, однако я делал её так, чтобы иметь возможность модернизировать.

Четыре выхода крестовины:

  1. Левый выход. Идёт на кран, после чего отправляет пар на паровой двигатель. Кран можно перекрыть, тем самым мы запираем пар внутри системы. Зажатому пару некуда деться, более того, вода продолжает кипеть и пара становится всё больше и больше. Помимо этого пар нагревается топливом (я использовал сухое топливо для розжига) и буквально «бешенеет». Давление пара растёт и он врывается в золотник, проходит к рабочему цилиндру и начинает совершать полезную работу.
  2. Правый выход. Тут стоит заглушка, но предусмотрен был еще один кран для экстренного сброса пара. Если давление растет в котле быстрее, чем успевает спадать в машине, значит пар нужно «сбросить».
  3. Нижний выход мы уже обсудили – он идёт от топки.
  4. Верхний канал также содержит заглушку, но теория предусматривала наличие манометра, который способен измерять и контролировать давление.

В планах есть собрать котел на 3 дюймовом сгоне. Такой котел действительно следует снабжать манометром, т.к. воды в нём будет много,  пара – ещё больше.

Принцип работы парового двигателя - фотография 78 - изображение 78

Паровая машина и котел в сборе

Проблемы паровой машины, собранной из сантехнических узлов

С точки зрения моделирования, паровой двигатель, собранный из сантехнических узлов, имеет  ряд преимуществ. Во-первых, он действительно собирается легко и просто, в прямом смысле слова: не требует пайки, сварки, точных настроек и притирок. Во-вторых, он очень близок к идеальному паровому двигателю, собранному Ваттом и другими знаменитыми инженерами, поскольку собран из высококачественных компонентов. Действительно, следует признать, что узлы для сантехники изготовлены из прочных материалов: сталь, чугун, латунь или медь, используемые в создании сгонов, тройников и переходников отбираются в строгих, заводских условиях. Сгоны, бочонки и тройники, используемые нами при создании паровой машины рассчитаны на высокие давления, контакт с водой предусмотрен, а коррозии можно не боятся. Тепловое расширение материалов – вообще не следует брать в расчёт, ведь сгоны рассчитаны на протекания по ним кипятка, причём на протяжении долгих лет эксплуатации.

Но данная глава называется «Проблемы паровой машины» не случайно. И, к сожалению, останавливаться на сантехнических компонентах нельзя, и вот почему.

Однажды, на просторах Интернета, у меня возник небольшой спор с одним моделистом. Он назвал свой проект одноцилиндровой паровой машины одиночного действия почему-то «двухцилиндровой» и я сразу спросил его, куда скрылся второй цилиндр. Он ответил: «Да вот же он!» и указал на золотник.

Золотник действительно включает в себя поршенёк, который через шток и кривошипно-шатунный механизм соединён с маховым колесом. Однако, колесо вращается из-за тяги, созданной рабочим поршнем, а не золотниковым. 

Истинная роль золотника хорошо истолкована в главе «Паровая машина с качающимся цилиндром», - там попросту нет никакого золотника. Да, он нужен не для создания тяги. Синонимом к слову «золотник» является термин «клапан». Его основная задача – контролировать впуск и выпуск в пара в рабочий цилиндр, золотник – неотъемлемая часть газораспределительного механизма, не более. Кривошипно-шатунный механизм золотника даже сложно назвать таковым, поскольку он (здесь следует быть внимательным) НЕ вращает маховик, а наоборот «СНИМАЕТ» с него показания. Маховик, уже вращаемый рабочим поршнем, «даёт понять» через свой «кривошип», когда следует впускать нагретый пар в цилиндр и выпускать отработанный. Именно поэтому, в правильной паровой машине, используется скользящий эксцентрик, а не компонента коленчатого вала и шатун. 

В четырёхтактных двигателях внутреннего сгорания золотника нет, но есть клапана, распределительный вал, цепь (или ремень) газораспределительного механизма и впуск/выпуск, подачу топлива контролирует система, заменяющая золотниковый механизм.

Применяя сантехнические узлы, мы выбрали сгон ½ дюйма в качестве рабочего цилиндра и подшипник диаметром 19 мм, в качестве поршня. Это отличное решение, так как поршень идеально круглый, цилиндр идеально ровный, материалы прекрасно сочетаются. И, если в случае с созданием рабочего цилиндра/поршня разнообразие сантехнических устройств нас выручило, то в случае с золотником, дела идут несколько хуже. Нами был выбран тройник и это естественно, поскольку у золотника в самом простом исполнении три выхода: канал впуска пара, канал выпуска пара, канал впуска пара в рабочий цилиндр. Однако, что сантехника нам может предложить. Поскольку золотник должен плотно соединяться с цилиндром (через бочонок или напрямую), то соединительная гайка должна подходить к резьбе сгона ½ дюйма. Выходит, что внутренний диаметр золотникового цилиндра почти такой же, как и у рабочего. Более того, поршенёк золотника – не такой уж «поршенёк», он почти соизмерим с массой поршня рабочего цилиндра. Именно поэтому, при испытания паровой машины наблюдается странная, даже немного абсурдная картина: пар толкает поршень золотника и этот поршень совершает полезную работу, вращая маховик, затем проходит до канала, соединяющего его с рабочим цилиндром; попадает на рабочий поршень и совершает ещё одну полезную работу, вращая маховик далее. 

Такой громоздкий поршенёк золотника и правда напоминает второй цилиндр, однако так не должно быть. Кто-то, конечно, скажет, что это не так страшно. Действительно, функционально ошибка не так пугает, ведь маховик вращается, а значит термодинамика пара превращается в механику махового колеса, что говорит о решении главной задачи.

Однако есть одно существенное «но». Пара должно хватать. Котёл созданный на дюймовом сгоне с чугунной заглушкой не справился с поставленной задачей вообще. А значит котёл нужно увеличивать. Скороварка на газовой плите справится, но, на мой взгляд, кипятить 6 литров воды, чтобы раскрутить паровую машину с диаметром рабочего цилиндра 20 мм. – не разумно. Кроме того, хотел бы напомнить, что наша задача – создать автономную паровую систему, без внешних газовых источников, огромных котлов, атомных реакторах на быстрых нейтронах. Паровая машина не должна съедать слишком много пара. Вспомните паровоз: он тянул огромные составы с людьми и грузами, используя свой собственный котёл. Ему не нужно было для этого осушать и превращать в пар небольшую реку, используя для этого запасы угля всей луганской области.

На самом деле, более опытные моделисты могут посчитать информацию из данной главы почти что бесполезной, но мой опыт указывает на то, что большинство тех, кого заинтересовала тема моделирования паровых машин, не владеют знаниями касательно действительного назначения золотниковых клапанов.

Какие выходы из сложившейся ситуации? На мой взгляд, использование сантехнического сгона ½ дюйма и подшипника 19 мм. в конструировании паровых систем – идеальное решение. Однако над золотником следует задуматься. Ещё раз отмечу, что работу пара, затрачиваемую на сдвиг тяжелого поршня золотника, только с первого взгляда можно считать полезной, т.к. пар должен «работать» в основном цилиндре.

Вторым колоссальным недостатком сантехнической сборки парового двигателя является избыток конденсата. Я уже писал, что паровая машина – не просто машина, с точки зрения физики её можно рассматривать как настоящий конвертер кинетической энергии нагретого пара в кинетическую энергии механических узлов: маховое колесо, кривошип и т.д. Поэтому наша основная задача: «собрать» как можно большей полезной энергии их вырабатываемого пара. Именно пара, не воды в жидком её виде. 

Совсем наивные моделисты, которые (звучит иронично) «бегут впереди паровоза» и хотят собрать машину быстрее, чем понять её, считают, что совершенно не важно, что толкает наш поршень – пар, воздух, вода, - главное, чтобы толкало.Это не так, гидравлические машины (в которых жидкая вода, проходя через насосы,  оказывает полезное давление) устроены совсем иначе. Если в двигателе появился конденсат, значит мы потеряли энергию, значит пар затормозился где-то, не успев дойти до выпускного клапана. Разумеется, в наших паровых моделях вода будет, от неё практически невозможно избавиться (хотя, чуть дальше мы научимся её конденсировать вне системы газораспределения). Но, думаю, не стоит говорить, что проходя через такой тяжелый золотник, как наш сантехнический, в рабочий цилиндр попадет в основном вода. И сам факт вращения маховика – это не победный запуск, а работа вопреки недостаткам.

Есть несколько вариантов решения, рассмотрим их. Для начала, и таково было моё решение, сделать поршень золотникового клапана более лёгким. Да, диаметр и его ход по-прежнему будет соизмерим с характеристиками рабочего цилиндра, но всё же сбросив массу мы решим часть проблем. Обратившись к Абрамову. На ум пришла достаточно старомодная, но действенная схема – две шайбы на краях поршня и вата, смазанная густым машинным маслом. Данный способ действительно эффективен, даже в пневматическом режиме (от пуска обычного сжатого воздуха) мотор стал вращаться лучше, однако трение в золотниковом цилиндре увеличилось.

Также я использовал специальный войлок, который активно применяется в мебельной индустрии (им оклеивают ножки стульев и столов во избежание царапин на паркете). Установив несколько таких войлочных колечек между шайбами получаем лёгкий поршень и действительно приятный его ход внутри золотникового клапана. В пневматическом режиме машина работает безупречно, более того войлочные вкладки между шайбами буквально полируют до блеска стенки поршня изнутри и с каждой минутой ход поршня всё лучше и лучше. Однако на этом все победы войлока заканчиваются. Стоит впустить в систему живой пар, как начинаются неприятности. Пар действительно отлично толкает поршенек, сразу попадает в рабочий цилиндр, однако при его вытеснении из рабочего цилиндра, начинаются неприятности. 

С одной стороны пар выходит из рабочего цилиндра наружу, через золотник. Выходит в одну сторону, на «свободу», и в другую сторону – давя на золотниковый поршенёк и выталкивая его обратно. Выходит, что поршенёк клапана оказывается в неприятном положении – с одной стороны на него давит рабочий пар из котла, с другой – отработанный из цилиндра. Пар пропитывает собой войлок и волей-неволей конденсируется, пропитывая волокна влагой. Войлок разбухает, расширяется и все его плюсы по снижению трения начинают превращаться в минусы. После минуты работы такой паровой машины, поршенек фактически не желает выходить из золотника – он полностью мокрый, разбухший и клинит в клапане. Чтобы сдвинуть такой плотный поршенёк рабочий пар должен проделать не слабую работу, что опять-таки мешает всему процессу. Более того, шток перестаёт быть параллелен стенке цилиндра, поршень перекашивает: часть, которая ближе к котлу разбухает сильнее и цилиндр наклоняется. Это увеличивает трение штока о край цилиндра и шайб поршня о внутренние стенки. Решение есть: поставить штуцер на 10 мм. Он попросту накручивается на сантехнический тройник золотника и выравнивает собой шток. Трение штока о внутренние стенки штуцера можно легко нейтрализовать маслом, однако сам штуцер препятствует выпуску отработанного пара из золотника, а следовательно – повышает конденсацию рабочего пара в клапане и пропитывает войлок влагой ещё сильнее. Это настоящий кошмар, который нужно обойти любой ценой.

Такое решение оказалось неудачным. Второй вариант стандартный – изготовить маленький цилиндр и маленький поршенёк внутрь. В хороших, высокопродуктивных машинах сам по себе золотник почти такой же в диаметре как паропровод, подводящий к нему пар – иногда даже проблематично разглядеть золотник, кажется, что он является продолжением трубки. Это правильно! Так и есть, клапан – продолжение паропровода, его прерыватель, если угодно. В нём всё должно быть лёгкое, маленькое, герметичное, водо- и термостойкое. 

Многие стремятся в процессе изготовления обойти процесс пайки. Да, действительно, для тех моделистов, которые никогда не были связаны с радиолюбительством, литьём метала или электротехникой, пайка кажется таким же недосягаемо сложным занятием, как и работа за токарным станком. Вначале создания паровой машины я, признаюсь честно, тоже старался обойти пайку. Не потому что меня пугал этот процесс, а потому что мне хотелось сделать всё из подручных материалов, в полевых, так сказать, условиях.

Скажу сразу: решения существуют, однако они намного более сложные и материально-затратные, чем покупка паяльника и краткий курс самостоятельного обучения пайки. Можно воспользоваться штуцерами и трубками. В стеклянных многоразовых шприцах времён СССР использовались очень высококачественные штуцеры, которые можно монтировать в отверстия золотников и цилиндров, соединяя их трубками. Ничего паять при этом не нужно, поскольку трубки устанавливаются на специальных прокладках-шайбах, которые не пропускают пар. Шприцы, как я уже упоминал, являются многоразовыми, а значит подлежат стерилизации. Они выдерживают температуру 200-250 градусов. Они решают много проблем и при грамотном использовании можно из шприцов создавать рабочие модели паровых двигателей.

Как работает локомотив

Принцип работы парового двигателя - фотография 79 - изображение 79

Паровоз

Принцип работы парового двигателя - изображение 80 - изображение 80

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.

Паровая машина: теория, позволяющая расширить возможности моделирования

Как мы уже отмечали, самой передовой технологией XVIII века был атмосферный двигатель, приводимый в движение давлением земной атмосферы, которому помогал пар. Эти двигатели сначала приводили в действие насосы, которые удаляли воду из шахт, но позже стали основным источником энергии для промышленности всех видов. Это не очень значительное событие (оно и правда не было так ярко отмечено тем временем, как, например, в наше время создание относительно бесполезного iPad) оказалось настоящим прорывом в истории. Возможно, если бы не открытия 18 столетия, мы бы до сих пор ездили в конных повозках.

Небольшое отступление: перегретый пар и уголь паровоза

Однако одно плотно зависело от другого. В наших самодельных, домашних паровых машинках, мы нагреваем воду до температуры 200 градусов, рассчитывая, что она дойдет до 100-110 градусов и превратится в пар. Но паровоз на таком пару не поедет, ему нужно больше. Пар должен быть перегрет, он должен обладать большой кинетической энергией. Его температура должна составлять 1600 градусов (да, именно таких отметок достигал пар в котле). Более того, пар находится в котле под давлением 10-15 атмосфер. Это чудовищные условия и, конечно, не удивительно, что такой пар толкал десятки выгонов и тысячи людей. 

Интуитивно нам кажется, что пар с температурой выше 100 градусов – это какой-то нонсенс, однако это не так. Вода – вообще штука удивительная и часто разрушает всё интуитивное.

Мы привыкли воду видеть в жидком состоянии. Таков наш океан и таковы наши моря. Однако, вода – это химическое вещество и у неё есть свои правила существования, которые далеко не всегда пересекаются с нашими мироощущениями и представлениями. В жидком виде она существует при совпадении целого ряда условий. Я мог бы грубо сказать, что эти условия – интервал температур от 0 градусов Цельсия до 100 градусов. Однако это так лишь при условиях нормального атмосферного давления? Снизьте давление и вода начнет кипеть при 80, 60 и даже 20 градусах. 

Выходит, если давление поднять то вода не спешит кипеть? Да, именно так. Более того, в котле паровоза пар запирается под давлением 10-15 атмосфер, а значит, чтобы кипение продолжалось нам нужно нещадно поднимать температуру. А значит: «Больше пара! Больше угля! Больше огня!» Совершенно верно, нужно повышать температуру. Затем мы пар выпускаем на золотник и давление в котле снижается. Радоваться нечему, нам нужно поддерживать давление, т.к. давление – это залог мощности. 

Поэтому, можно немного «обмануть» машину. А что, если пар будет выходить из котла и дополнительно нагреваться? Да, это вполне возможно. В одной из своих паровых машинок я постарался провести этот интересный эксперимент. Медная трубка выходила из котла и делала два витка. Такое изобретение напоминало спираль кипятильника. Однако это спираль помещалась в… котёл! 

Температура моего пара в итоге зашкаливала за 400 градусов. Обороты машины выросли в 3-4 раза. Всё шаталось, дрожало и вибрировало! Конечно в этом нет ничего особенного: молекулы водяного пара при нагреве начинают бешено ударяться друг о друга, лететь во все стороны и в таком «нервном» состоянии они влетают в рабочий цилиндр, напрочь снося поршень в нижнюю мёртвую точку.

Следует помнить! Перегретый водяной пар – не игрушка! Во-первых, его перестаёт быть видно, влажные микроскопические капли воды напрочь превращаются в пар, скорость его увеличивается в разы. Он абсолютно невидим. Кожа при соприкосновении с таким паром слазит за мгновение. Будьте очень осторожны с перегретым паром!

В паровозах специально существовал, так называемый, пароперегреватель, который разгонял пар и выжимал дополнительную мощность из тех молекул воды, которые уже покинули котёл.

Вернемся к углю. Конечно паровоз можно было «топить» и дровами, однако развить ту скорость, мощность, давление и температуру, которая способна тянуть грузовой состав представляется реальным лишь на мощном топливе, которым является уголь.

А вот одной из важнейших промышленных проблем конца XVII века был дренаж шахт, особенно угольных. Уголь заменил древесину в качестве основного источника топлива для таких отраслей, как стеклоделие, мыловарение и металлообработка, и спрос на него был высоким. Таким образом, угольные шахты были вытеснены на все большие и большие глубины, и было все труднее и труднее удалять воду, которая накапливалась в них.

Проблема добычи воды будет решена, как только кто-нибудь найдет дешевый источник механической энергии для работы водяных насосов. В течение 16 и 17 веков шахты осушались в основном лошадиной силой, иногда для работы насосов на одной шахте требовались команды лошадей.

В 1664 году, когда кризис добычи воды достиг своего апогея, в Дартмуте родился Томас Ньюкомен. После ученичества в качестве торговца скобяными изделиями он начал продавать инструменты для горной промышленности Корнуолла. Во время своих визитов на рудники он начал осознавать, какая огромная финансовая награда была бы получена, если бы он смог разработать механическое средство для удаления паводковых вод: тогда руду можно было бы добывать гораздо быстрее и безопаснее из-под естественного дренажа шахт.

Вместе со своим помощником Джоном Калли Ньюкомен много лет экспериментировал, пытаясь обуздать свойства пара. Его работа принесла свои плоды в 1712 году, когда он смог продемонстрировать первый атмосферный двигатель, откачивающий воду из угольной шахты недалеко от замка Дадли в Южном Стаффордшире.

Двигатели XVIII века приводились в действие весом земной атмосферы, действуя против вакуума, который создавался на нижней стороне поршня конденсацией пара. Двигатели приводились в действие таким образом, потому что в начале восемнадцатого века технология не была достаточно продвинута, чтобы сделать котлы, которые сдерживали бы силы пара, поднятого до высокого давления. Большие, безопасные, паропроницаемые посудины просто не могли быть сделаны в то время.

Первый коммерческий паровой двигатель

Двигатель Ньюкомена 1712 года имел котел из меди с полусферическим куполом, изготовленным из отбитого свинца. Двигатель делал 12 насосных движений в каждую минуту, и на каждом движении приносил 10 галлонов воды из горных выработок 150 футов ниже, чтобы безопасно стекать на поверхность. Приводной цилиндр, расположенный вертикально и изготовленный из латуни, имел диаметр 21 дюйм. Поршень совершал рабочий ход почти в 8 футов.

Когда двигатель приводился в движение в начале рабочего периода, пар поднимался внутри котла до давления 1,5–2,0 фунта на квадратный дюйм. Если бы верхняя качающаяся балка двигателя была неподвижной, а поршень-как можно ближе к верху котла, то защелки были бы освобождены, и тяжелые насосные штанги на другом конце качающейся балки притянули бы поршень к другому концу вертикального цилиндра. Всасывание, создаваемое восходящим поршнем, втягивало пар в цилиндр изнутри котла, расположенного под ним. При заполненном цилиндре струя холодной воды конденсировала бы пар, а при образовании вакуума поршень втягивался бы в другой конец цилиндра, завершая рабочий ход. Насосные штанги с прикрепленными к ним тяжелыми грузами затем возвращали поршень в верхнюю часть цилиндра, и цикл продолжался.

Накопившаяся вода из конденсирующегося распылителя контролировала рабочую скорость двигателя: на каждом такте двигателя Ньюкомена около шести галлонов воды должны были быть удалены из силового цилиндра, прежде чем поршень мог завершить свое полное движение.

Кстати, я всем моделистам и фанатам паровой тяги советую создать работающую модель двигателя Нюкомена! У меня руки до неё так и не дошли, а очень хотелось бы воссоздать всю эволюцию этих паровых монстров!

Двигатель Сметвика

Двигатели работали по описанному выше принципу, пока Джеймс Уатт не запатентовал отдельный конденсатор в 1769 году.  Тут то и появился наконец-то вакуум. Уатт создал его в сосуде с водяным охлаждением вдали от силового цилиндра. Нагревая и впоследствии охлаждая силовой цилиндр на каждом такте мотора удалось удвоить выходную мощность двигателя на то же количество потребляемого угля.

Насосный двигатель Boulton and Watt был построен для компании Birmingham Canal Navigation Company в 1779 году и находился в эксплуатации на канале до 1891 года. Этот двигатель поднимал воду на расстояние 38 футов от дна до верхнего шлюза канала и был расположен в верхней части Бридж-стрит в Сметвике. На каждом такте двигателя поднималось 229 галлонов воды. Этот двигатель выставлен в центре в Бирмингеме: это будет самый старый работающий паровой двигатель в мире.

Двигатель Сметвика приводился в действие паром низкого давления на верхней части поршня и вакуумом на нижней стороне. Он представлял собой новое поколение насосных двигателей; эти двигатели были быстро приняты Корнуоллской горнодобывающей промышленностью. Двигатели, работающие с отдельными конденсаторами и использующие экспансивную силу пара, развивали большую мощность. Они были в состоянии удалить наводненную воду из шахт на гораздо большую глубину, чем это было возможно с двигателем Newcomentype. Новая конструкция была настолько удачной, что все 75 двигателей Ньюкомена, которые работали в 1779 году на корнуоллских минеральных рудниках, были заменены в течение четырех лет.

Организация "Болтон и Уатт" продавала свои усовершенствованные паровые двигатели только по договоренности с заказчиком, который должен был выплачивать ежегодную премию. Эта премия была основана на расчете количества угля, которое было бы использовано, если бы заказчик установил стандартный двигатель типа Newcomen. Одна треть стоимости разницы в топливе должна была ежегодно выплачиваться организации "Бултон и Уотт". За двигатель Сметвика компания канала платила 210 фунтов стерлингов в год.

Вращательное движение

Ранние паровые двигатели производили линейное движение, то есть движение вверх и вниз насосной штанги, используемой для перемещения воды. Для приведения в действие других машин двигатели должны были бы производить непрерывное вращательное движение. Это было не так легко сделать, как можно было бы себе представить.

Первый двигатель в мире, успешно производящий вращательное движение с помощью маховика и кривошипа, был разработан Мэтью Уосборо (Бристольский инженер) для Джеймса Пикарда, Бирмингемского производителя. Первоначально он был установлен в 1779 году, и вращательное движение было достигнуто с помощью храповика и механизма пола. Однако это оказалось безуспешным, и двигатель позже был оснащен маховиком и кривошипно-шатунным механизмом. Пикард и Васборо получили патент на свою идею в 1780 году.

Выдача этого патента вызвала длительные споры, в результате чего Джеймсу Уатту пришлось использовать другую схему (метод "Солнца и планеты") для достижения вращательного движения на своих двигателях, пока патент Пикарда не истек в 1792 году.

Оригинальный двигатель типа Ньюкомена был собран в Сноу-Хилле в 1779 году, и после его преобразования для использования кривошипа и маховика двигатель продолжал работать примерно до 1879 года, приводя в движение мельницу для измельчения металлов. Все, что известно об этой модели - это то, что приводной цилиндр имел диаметр 30 дюймов, а бросок кривошипа составлял 3 фута и 7 дюймов. Силовой цилиндр располагался вертикально над котлом, что необычно для конца 1770-х годов: к этому времени котлы обычно располагались в отдельном здании, примыкающем к главному машинному отделению.

В 1788 году Джеймс Уотт разработал и построил двигатель, который непосредственно производил вращательное движение. К этому времени многие другие линейные двигатели были приспособлены для обеспечения вращательного движения, но они не были спроектированы и построены с этой целью и обычно представляли собой адаптацию одноактных насосных двигателей. Новый двигатель Уатта приводился в действие вакуумом, а также экспансивной силой пара. Вакуум был направлен сначала на верхнюю, а затем на нижнюю сторону поршня; пар низкого давления также подавался на поршень как вверх, так и вниз. Эта комбинация вакуума и пара низкого давления производила непрерывную выработку энергии, которая приводила в действие двигатель. Это уже напоминает работу золотника паровоза, не так ли?

Новый вращающийся двигатель был установлен на мануфактуре Boulton and Watt Soho Manufactory в Бирмингеме, где он стал известен как коленчатый двигатель, потому что он использовался для шлифовки и полировки мелких деталей, таких как большие пряжки, надетые на обувь для придворных. Большой маховик этого двигателя, почти 16 футов в диаметре с 304 деревянными зубьями, приводил в движение более сорока притирочных и полировальных машин, и вращательная сила передавалась каждой отдельной машине системой ремней и шкивов.

Этот двигатель был первым в мире, чья скорость вращения регулировалась центробежным устройством, которое позже стало известно как "регулятор Ватта". Двигатель Lap был одним из первых двигателей, мощность которого оценивалась в лошадиных силах – по расчетам Джеймса Уатта, она составляла 10. Он обеспечивал вращательный привод заводского оборудования в течение 70 лет, пока Мануфактура Сохо не прекратила производство в 1858 году. Теперь этот двигатель выставлен в Музее науки в Лондоне.

Двигатель мельницы Арнольда

Этот двигатель обеспечивал вращательную мощность для привода камвольной мельницы Роберта Дэвисона и Джона Хоксли в Арнольде, Ноттингем, в 1797 году. Двигатель, разработанный инженером из Эшовера в Дербишире по имени Фрэнсис Томпсон (1747-1809), имеет несколько необычных особенностей, предназначенных для достижения хорошей производительности без нарушения патента, принадлежащего Джеймсу Уатту на конструкцию парового двигателя. Наиболее выдающейся из этих особенностей является цилиндр двойного действия-движущая сила двигателя, достигаемая за счет конденсации пара.

Фрэнсис Томпсон использовал принципы, впервые разработанные Томасом Ньюкоменом в 1712 году. Считается, что только восемь роторных двигателей двойного действия были когда-либо сделаны, которые работали от атмосферного давления таким образом. Использовались два цилиндра, расположенных вертикально один над другим. В верхнем цилиндре находился поршень, который под действием атмосферного давления поднимался вертикально вверх. Поршень в Нижнем цилиндре был опущен вертикально вниз, опять же под действием атмосферного давления. Движущей силой этого двигателя был вакуум, создаваемый водяным распылителем, конденсирующим пар в каждом цилиндре.

Объединенная сила от двух соединенных поршней передавалась на главную колеблющуюся балку двигателя тремя цепями, каждая из которых была настроена на натяжение. Фрэнсис Томпсон добился вращательного движения на этом двигателе, установив большой кривошипный штифт на стороне шестерни промежуточного вала.

Когда мельница Арнольда была впервые построена в начале 1790-х годов, водяное колесо было единственным источником энергии для фабрики. С началом Наполеоновских войн возрос спрос на камвол для военной формы. Чтобы удовлетворить этот возросший спрос, мельница начала работать днем и ночью. Однако после двух полных дней непрерывной работы мельничный пруд опустел, и производство пришлось остановить. Для поддержания производства в течение оставшейся части рабочей недели был использован атмосферный двигатель, что позволило пополнить мельничный пруд.

Когда мельничный пруд снова наполнился водой, прядильные и ткацкие станки снова приводились в движение водяным колесом. Линейный вал длиной 105 футов соединял два независимых привода, а большие фланцевые муфты включались или отключались для выбора привода, который должен был использоваться. Водяное колесо и двигатель никогда не использовались вместе.

Двигатель работал со скоростью 18 ударов в минуту, приводя в движение заводской промежуточный вал со скоростью 50 оборотов в минуту, и, как полагают, вырабатывал около 45 лошадиных сил. Оригинальный двигатель был высотой 47 футов, достаточно высокой, чтобы пройти через все пять этажей текстильной фабрики. Мельница была разрушена в 1811 году, а двигатель разобран и продан на металлолом; все, что осталось теперь, - это мельничный пруд.

Паровой двигатель высокого давления

Двигатели до 1800 года приводились в действие вакуумом; этот вакуум создавался конденсацией пара низкого давления. Наша история заканчивается разработкой около 1800 двигателей, работающих на паре высокого давления. Один из первых из них был разработан Ричардом Тревитиком, корнуэльским инженером, и установлен в 1804 году, чтобы управлять оборудованием красильни в Ламбете в Лондоне.

Цилиндр, который приводил в действие двигатель Тревитика 1804 года, был совершенно новым нововведением, поскольку он находился в горизонтальном положении. Это первый из двигателей нового поколения, который стал известен как "высокоскоростные горизонтальные двигатели".

Котел, подававший пар к двигателю, был 6 футов в диаметре и первоначально был сделан из чугуна, отлитого на литейном заводе Абрахама Дарби в Коулбрук-Дейле. Двигатель приводился в действие цилиндром двойного действия диаметром 8 дюймов с рабочим ходом 48 дюймов. Он был рассчитан на 6 лошадиных сил. Высокоскоростной двигатель делал 24 оборота в минуту при давлении котла примерно 45 фунтов на квадратный дюйм.

Таким образом, всего за 100 лет самые современные промышленные источники энергии перешли от лошадиной или водной энергии, используя энергию пара низкого давления и атмосферного давления, к пару, производимому при давлении в 25 раз большем, чем у ранних двигателей. Техническая невозможность одного поколения-большие пароплотные котлы, которые не могли быть изготовлены в 1700 году, – стала основным источником энергии для другого поколения.

Что не так с котлами и почему нельзя лошадей оставить в покое?

Как мы могли заметить, все инженеры и ученые годами и, даже веками, изобретали паровые двигатели, кривошипы, различные регуляторы оборотов и всё-всё связанное с самой паровой установкой, которая приводила что-либо в поступательное движение, заставляла колеса вращаться, используя пар.

Поршни становились всё ровнее, цилиндры всё более отполированными, манометры всё точнее, биения маховиков и шестеренок сводились на нет. Но было кое что, из-за чего никак не удавалось паровую машину поставить на колеса и оставить наконец лошадей в покое. Это – непосредственно сам пар.

Удивительно, но почти два столетия никто не обращал внимания на котлы, они как были кастрюлями, так кастрюлями и остались. Что же не так в кастрюле, спросите вы? На самом деле – не так практически всё. 

Принцип работы парового двигателя - фото 81 - изображение 81

Паровая машина с котлом-кастрюлей. Они так нормально и не поехали

Снизу располагалась топка, куда бросали уголь. Вода снизу такого котелка начинала разогреваться и горячая вода поднималась вверх, создавая турбулентные вихри, которые перемешивали воду и невольно охлаждали её. Таким образом вода превращалась в пар медленно. Сначала выходила порция пара и вода внутри охлаждалась. Машина, соответственно останавливалась, и следовало ждать нового кипения. И так, снова и снова. Можно было топить углем и ждать пока вскипит всё, рисковать взрывом котла, но зато ехать на хорошем давлении? Нет, к сожалению, так система не работает – вода должна превращаться в пар (вскипать) почти с той же скоростью, что и выходить на двигатель.

Эти машины постоянно останавливались. Приходилось кидать больше угля в топку, шевелить уголь, запирать пар, нервничать из-за чрезмерно высокого давления в котле. Паровозы представляли собой вообще очень несчастное зрелище – они чудом тянули 10 человек и страшно тормозили на участках под горку.

Затем, однажды, некий мистер Джефферсон представил свой новый паровоз с очень странным (цилиндрическим) котлом, который отлично ехал, держал скорость, да ещё и разгонялся! Пар бежал изо всех щелей, колеса крутились и машина даже не думала останавливаться.

Суть идеи была проста, как и всё гениальное. Котел был представлен в виде множества сваренных труб, по которым проходил жар от угля. Трубы имеют большую площадь поверхности (цилиндр в развертке дает прямоугольник), а много труб – тем более. Таким образом вода нагревалась не с одной стороны, а со всех сторон, она закипала и снизу, и сверху, и внутри, и у стенок. Весь котел – насквозь нагревался до 1500 градусов и вода вскипала моментально. Главное было вовремя подливать новую воду и забрасывать уголь в топку.

Захватывает идея, не правда ли? Так и хочется сотворить настоящий котёл? Что ж, предлагаю начать с простого – вварите в скороварку или самодельный котелок две трубы сквозные трубы между дном и крышкой. Эффект будет сразу заметен – вода будет закипать активнее и пар будет насыщеннее. Полезная работа будет выше.

Одинарного и двойного действия: в чём там суть?

Очень часто (да и я уже так пару раз согрешил в данной статье) произносится фраза «одинарного» или «двойного» действия. В чём там существенная разница? Казалось бы, максимально, чем мы можем увеличить продуктивность машины – это добавить еще один цилиндр с клапаном. Однако тогда мы получаем двухцилиндровую машину, а не машину двойного действия. В чём там основная суть?

Что ж, вернемся к нашей схеме паровой машины. Пар выходит из котла, попадает в клапан, клапан открывается, пускает пар внутрь рабочего цилиндра, цилиндр уходит в нижнюю мертвую точку… Что дальше? Почему цилиндр возвращается обратно? Да, всё дело в инерции маховика. Маховик – колесо тяжелое и оно по инерции вращается, закрывая клапан золотника и толкая рабочий поршень назад… А потом снова пар и так по кругу. Именно поэтому такие паровые машины сами не запускаются, их нужно запускать дав маховому колесу первичный импульс.

А что если в рабочем цилиндре впускное отверстие будет не в днище цилиндра, а, скажем, в стенке. Прямо над верхней мертвой точкой? А потом ещё и снизу – под нижней мертвой точкой. Представьте себе – два отверстия в рабочем цилиндре! В первое попадает пар, поршень бежит вниз, первое отверстие перекрывается, но открывается второе, через которое теперь идет пар! И этот новый пар поднимает теперь поршень в обратную сторону, словно нижняя мертвая точка стала верхней, а потом наоборот. И так снова и снова. Выходит, что не только в рабочем цилиндре два отверстия, но и в золотнике. Ну да, всё верно. Золотниковый клапан имеет два поршенька на одном штоке и два отверстия, которые поочередно закрываются то одним, то вторым поршеньком.

Принцип работы парового двигателя - изображение 82 - изображение 82

Самодельная машина двойного действия

Сразу становится очевидно, что машина двойного действия сразу обладает двумя уникальными свойствами – во-первых, маховику больше не нужно обладать магической инерцией; во вторых, такая машина, достаточно резво запускается сама под давлением пара.

Именно такие машины стояли на паровозах, иначе сложно себе представить, чтобы кто-то его подталкивал.

Паровой двигатель с качающимся цилиндром: самый простой из эффективных

Осциллирующий паровой двигатель, или как ещё её называют, паровая машина с качающимся цилиндром – лично на мой взгляд, настоящее чудо техники, которое открыло многим моделистам возможность быстро и без особых затрат собрать паровую машинку высокой мощности, которая будет работать.

В чём же её основная суть? И почему она так грозно называется – с качающимся цилиндром? Неужели в ней всё настолько сурово, что даже цилиндр должен вращаться, не только маховики с поршнями?

В этой машине вообще отсутствует золотниковый клапан. Кривошипно-шатунный механизм настолько просто, что крепится шатуном к маховику всего с одной стороны (ведь золотника нет). 

И так, возьмём стандартную паровую машинку, и уберем напрочь в ней клапан и всё, что с ним связано. При этом уберем также все «суставы» кривошипов, которые идут от штока рабочего поршня к маховику. Да, шток прочно закреплен с маховиком.

Принцип работы парового двигателя - фотография 83 - изображение 83

Качающийся цилиндр

При этом напрочь запаяем днище цилиндра и оставим только одно впускное отверстие, сверху над мертвой точкой. Что будет если мы начнем подавать на впуск пар? Поршень стремится выскочить наружу, но не может, так как изгибов и рычагов нет, он просто давит штоком на колесо маховика! А что, если посередине (или, например, с краю – без разницы) цилиндр будет закреплен одним небольшим болтиком и сможет вращаться вокруг него?

Тогда система будет поворачивать колесо маховика, а потом возвращаться. Что ж, попробуем сделать такой простой двигатель.

Находим трубку из нержавейки или меди.  Сделаем отверстие в ней.

Принцип работы парового двигателя - фото 84 - изображение 84

Будущий цилиндр и место под отверстие

Далее из холодной сварки делаем поршень и прикрепляем его на шпильку. С другой стороны устанавливаем крепление для будущего маховика. В качестве крепления идеально подходит клемма для подключения проводника, а поршень можно изготовить из подшипника, как мы делали ранее.

Принцип работы парового двигателя - фотография 85 - изображение 85

Поршень, шток и крепление на маховик

Проверяем насколько плавно поршень входит в цилиндр и, если он там застревает – полируем цилиндр изнутри, а поршень – снаружи. Он должен ходить свободно, но должна ощущаться компрессия.

Принцип работы парового двигателя - изображение 86 - изображение 86

Поршень в цилиндре

Далее, днище цилиндра (то, которое ближе к верхней мертвой точке, возле отверстия) прикрепляем уголок. 

Принцип работы парового двигателя - фотография 87 - изображение 87

Уголок, прикрепленный к днищу цилиндра

Он должен быть закреплен так, чтобы полностью закрывать цилиндр. Если цилиндр и уголок из меди или нержавейки их можно спаять. Если всё из железа, можно сварить. А можно поступить ещё проще и посадить его на жаростойкую эпоксидную смолу с затвердителем.

Внимательный читатель наверное понял, что уголок – это будущая ось вращения (качения) цилиндра, а отверстие в цилиндре – впускное. Поэтому уголок необходимо разместить так, чтобы его отверстие лежало с впускным на одной прямой параллельной цилиндру.

Далее нужно установить конструкцию на ось, для этого следует создать небольшой каркас – раму.

Принцип работы парового двигателя - фотография 88 - изображение 88

Рама двигателя

Прикреплять конструкцию следует не только винтом, но и пружиной, чтобы цилиндр был перпендикулярен оси вращения, но не жестко. Жесткость создаст силу трения в механизме газораспределения (цилиндр будет тормозиться, притираясь к планке выпуска и впуска).

Принцип работы парового двигателя - фотография 89 - изображение 89

Пружина в креплении цилиндра

Дальше следует найти две идеально гладкие (желательно идеально гладкие) поверхности. В идеале – медные, натертые до зеркального блеска пластины. Но поскольку это почти не реально, то можно использовать фрагменты глянцевого ламината. Я использовал керамическую плитку, но её сложно сверлить.

Принцип работы парового двигателя - фото 90 - изображение 90

Сверлим гладкую поверхность

Далее эту поверхность прикрепляем к цилиндру отверстие к отверстию.

Принцип работы парового двигателя - изображение 91 - изображение 91

Склеивание на смолу. Шуруп нужен для того, чтобы отверстия не разбежались при склеивании

Далее ищем маховик потяжелее. Можно использовать даже диск от циркулярки.

Принцип работы парового двигателя - фото 92 - изображение 92

Диск от циркулярки в качестве махового колеса

Устанавливаем его в подшипник и подставку (вилку). 

Принцип работы парового двигателя - фотография 93 - изображение 93

Маховик на подшипнике

Это достаточно забавно, но можно выполнить всё идеально и ошибиться в расчете хода поршня. Один из моделистов как-то заметил, что при финальных этапах сборки он постоянно ощущает, что начинает халтурить. 

Это действительно так, когда конечный результат не за горами и вы уже видите, что всё начинает вырисовываться, вероятность ошибки начинает возрастать.

Когда цилиндр и его система газораспределения установлена, нужно рассчитать две вещи:

  • где будет маховик;
  • где на маховике будет рычаг крепления со штоком.

Помните три главные вещи:

  1. В верхней мёртвой точке точка крепления маховика и штока ближе всего к цилиндру и цилиндр горизонтален, в нижней мертвой точке - крепление маховика и штока дальше всего от цилиндра и цилиндр горизонтален опять.
  2. Ход поршня – это диаметр внутреннего круга, который описывает точка крепления штока к маховику, т.е. расстояния от центра маховика до точки крепления – половина хода поршня.
  3. Верхняя мертвая точка – это не дно цилиндра, а любая выбранная вами позиция, которая должна быть выше впускного отверстия.

Принцип работы парового двигателя - изображение 94 - изображение 94

Расчет позиций

Далее нужно сделать шатун. Его можно изготовить из фанеры или металлической планки. Металлическая планка может казаться надежней, но она тяжелее и из-за нее могут возникнуть небольшие биения махового колеса.

Принцип работы парового двигателя - изображение 95 - изображение 95

Изготовление шатуна и его крепление на смолу

Теперь следует завершить систему газораспределения. Когда поршень находится в верхней мёртвой точке – пар должен попадать в цилиндр и выталкивать поршень, поворачивая тем самым и маховик и сам цилиндр.

Когда поршень доходит до нижней мертвой точки, цилиндр поворачивается и поршню пора возвращаться. Значит впускное отверстие становится выпускным и из него отработанный пар должен выйти.

Таким образом берем нашу вторую гладкую планку и делаем два отверстия. Одно располагается в том месте, где оказывается отверстие в верхней мертвой точке, второе – в нижней. Эти два отверстия должны быть соединены друг с другом в верхнем слое планки, т.е. содержать канавку (дабы пар наполнял цилиндр до самой нижней мертвой точки, даже когда цилиндр «уйдёт» с отверстия).

Принцип работы парового двигателя - изображение 96 - изображение 96

Вторая планка. Впускное и выпускное каналы и канавка между ними

Затем аккуратно устанавливаем эту планку, совмещая отверстия и фиксируя положения цилиндра и самой планки. Планка должна очень плотно прилегать к планке цилиндра, но не выталкивать его из плоскости.

Принцип работы парового двигателя - фотография 97 - изображение 97

Установка планки газораспределения

Всё! Двигатель готов. 

Принцип работы парового двигателя - фото 98 - изображение 98

Двигатель с качающимся цилиндром

Данный двигатель действительно приятно собирать и есть простор для мысли. Собирать его вот таким образом – несколько неуклюже, куда лучше использовать медь и пайку, тогда наверняка его можно построить за час.

Кроме того, данный мотор можно усовершенствовать, например, установить второй цилиндр на тот же шатун, но с другой стороны.

Также, можно очень легко создать такой осциллирующий двигатель двойного действия: ось вращения будет посередине цилиндра, а справа и слева от неё будут два отверстия и соответственно две планки. Отверстия будут меняться между собой, сначала правое будет впускным, а левое – выпускным, а затем – наоборот. Двигатель сможет сам запускаться, его можно устанавливать в модели чего угодно, либо превратить в паровой генератор тока.

Какой цилиндр лучше изготавливать – длинный или короткий? Машины с длинными цилиндрами требуют больше пара и являются более тихоходными, медленными. Однако их крутящий момент выше.

История создания паровой машины и ее применение

Принцип работы парового двигателя - фото 99 - изображение 99

Изобретение паровых машин стало переломным моментом в истории человечества. Где-то на рубеже XVII-XVIII веков началась замена малоэффективного ручного труда, водяных колес и ветряных мельниц на совершенно новые и уникальные механизмы – паровые двигатели. Именно благодаря им стали возможны техническая и промышленная революции, да и весь прогресс человечества.

Принцип работы парового двигателя - фото 100 - изображение 100

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.

Принцип работы парового двигателя - фото 101 - изображение 101

История создания паровой машины начинается с изобретения пароатмосферной машины. В 1681 году ученый из Франции Дени Папен 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

Принцип работы парового двигателя - фотография 102 - изображение 102

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. Томас Ньюкомен 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.

Принцип работы парового двигателя - изображение 103 - изображение 103

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

Принцип работы парового двигателя - фото 104 - изображение 104

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.

Джеймс Уатт 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.

Принцип работы парового двигателя - фото 105 - изображение 105

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.

Первый пароход в мире

Английский судостроитель Роберт Фултон 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.

Принцип работы парового двигателя - фотография 106 - изображение 106

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.

Паровая машина

Принцип работы парового двигателя - фото 107 - изображение 107

Честь создания паровой машины досталась скромному механику из университета в городе Глазго Джеймсу Уатту (1736 – 1819), который понял то, мимо чего проходили многие инженеры и ученые: 1) паровая рубашка вокруг цилиндра, поддерживающаястенки цилиндра в разогретом состоянии при температуре близкой к температуре поступающего в него пара; 2) конденсация пара в отдельном сосуде – конденсаторе; 3) цилиндр двойного действия; 4) механизм для автоматического парораспределения; 5) преобразование поступательного движения поршня во вращательное движение вала; 6) введение в механизм паровой машины регулятора частоты вращения.

Д.Уаттом было сделано то, что в конечном итоге превратило паровую машину в универсальный промышленный двигатель, способный без непосредственного участия человека превращать тепловую энергию топлива в механическую работу.

Примечание. Джеймс Уатт (James Watt, 1736 - 1819) – великий английский изобретатель, инженер, ученый. В 1769 году получил патент на паровую машину простого действия с конденсатором, в 1782 году получил патент на машину двойного действия. С 1784 г. – член Эдинбургского Королевского общества, с 1785 г. – член Лондонского королевского общества, с 1806 г.- доктор юридических наук, с 1816 г. – член Парижской академии наук.

Принцип действия паровой машины показан на рисунке 4. Работа поршня 1 посредством штока 2, ползуна 3, шатуна 4 и кривошипа 5 передается 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 применяется центробежный регулятор 9, автоматически изменяющий сечение прохода пара, поступающего в цилиндры (дроссельное регулирование), или изменяющий момент отсечки наполнения (количественное регулирование).

Судьба паровой машины - универсального промышленного двигателя была блистательной, она подняла на своих плечах весь XIX век – «век пара», проникла во все отрасли производства, на сухопутный, морской и речной транспорт, произвела настоящую революцию в промышленности и техники, границы и масштабы которой, трудно охарактеризовать в нескольких; словах. Сегодня мы не можем не быть благодарны ей за ее почти двух вековую службу человеку. За этот период мощность паровой машины выросла с 20 до 20000 л.с., коэффициент полезного действия увеличился с 2 до 20%, давление и температура пара достигли 20 МПа и 4000С соответственно, число оборотов превысило 1000 оборотов в минуту.

Д.Уатту выпало редкое счастье видеть повсеместное, триумфальное распространение своего главного изобретения жизни. На его памятнике в Вестминстерском аббатстве начертаны слова: «...применив к усовершенствованию паровой машины силу творческого гения, расширил производительность своей страны, увеличил власть человека над природой и занял выдающееся место среди наиболее прославившихся людей науки и истинных благодетелей человечества».

Принцип работы парового двигателя - фото 108 - изображение 108

Рисунок 4 – Паровая машина Д.Уатта

Русский историк техники Николай Божерянов писал: «Без преувеличения можно сказать, что все завоевания англичан в Индии меньше обогатили и усилили их, нежели открытия Д.Уатта».

«Бунт» паровых машин

Усилия инженеров, разрабатывавших все более совершенные паровые машины, были направлены, прежде всего, на увеличение их мощности. Простейший путь к достижению этой цели - расширить объем цилиндра, увеличив его диаметр и длину. Но увеличение диаметра приводило к большому просачиванию пара между поршнем и стенкой цилиндра. Тщательное уменьшение зазора приводило к резкому возрастанию трения, что приводило к падению мощности машины. К такому же результату приводило и удлинение поршня. Удлинение самого цилиндра требовало удлинить ход поршня, а значит утяжелить кривошипно-шатунный механизм, что влекло за собой необходимость делать маховик более массивным, ему предстояло протащить через «мертвую точку» и вернуть в исходное положение ставший более массивным поршень.

Борьба за увеличение мощности паровых машин стави­ла перед инженерами все более сложные задачи. Чтобы их решить, казалось выгодным увеличить расход пара, однако при этом возрастал диаметр паропровода, росли размеры и масса регулирующей заслонки. Чтобы при этом управлять машиной, приходилось все более увеличивать массы гру­зов в центробежных регуляторах и таким образом утяже­лять удерживающие их рычаги и муфту. Одновременно инженеры делали машины все более быстроходными, что позволяло им уменьшать и облегчать маховики.

Идя этим путем, инженеры одновременно повышали точность изготовления и качество обработки движущихся частей машины и регулятора. Тщательная обработка стенок цилиндра и многочисленных подшипников снижала трение. Однако по мере увеличения мощ­ности паровых машин и улучшения их деталей, все чаще возникали жалобы на их неустойчивую работу. Чтобы поддерживать число оборотов приходилось непрестанно вручную манипулировать заслонкой (и это при том, что на машине был установлен регулятор), и ни­какие усилия инженеров не позволяли отрегулировать машины так, чтобы они действовали так же устойчиво и послушно, как более старые и менее мощные машины, созданные при Д.Уатте.

Подозрение пало, прежде всего, на регулятор Уатта. Обращали на себя внимание два главных недостатка регулятора Уатта: а) регулятор начинает действовать, когда изменение скорости вращения уже произошло (в дальнейшем такой принцип регулирования получил название «принцип регулирования по отклонению»; б) регулятор поддерживает скорость вращения с некоторой погрешностью – на малых нагрузках несколько выше заданной, на больших – ниже (в дальнейшем такое свойство регуляторов получило название «неравномерность регулятора», а сами регуляторы стали называться статическими). Неравномерность можно был уменьшить, переместив опору рычага ближе к измерителю частоты вращения, однако при этом уменьшался момент, развиваемый грузами регулятора, что, в свою очередь, требовало увеличения их массы. И опять возникала парадоксальная ситуация: чем успешнее инженеры устраняли неравномерность регулятора, тем сложнее было его налаживать, тем менее эффективно он действовал, и тем чаще машина выходила из заданного режима.

Десятки тысяч паровых машин «взбунтовались» против своих создателей и владельцев. Инженеры должны были признать свое бессилие. Никто не мог гарантировать, что новый экземпляр машины, изго­товленный в точности по образцу предшествующей, будет работать надежно. Никто, приступая к наладке машины, не был уверен, что ему удастся ее укротить. В 1868 году только в Англии работало примерно 75000 паровых машин, которые были снабжены регуляторами Уатта. Причем большинство из них работало ненадежно. Машины, оборудованные ре­гуляторами других типов (к тому времени появились другие регуляторы, свободные от недостатков, при­сущих регуляторам Уатта), отличались еще меньшей надеж­ностью.

Возникла острая необходимость в создании теории регулирования машин, могущей, ответить на вопросы промышленной практики. Из многих сотен ученых и инженеров, работавших в XIX веке над вопросами теории регулирования машин, нужно выделить трех: 1) английского физика - профессора в Кембридже Джеймса Клерка Максвелла (1831 - 1879); 2) русского инженера - профессора Санкт-Петербургского технологического института Ивана Алексеевича Вышнеградского (1831 - 1895) и 3) словацкого инженера - профессора Цюрихского Политехникума Ауреля Стодолу (1859 - 1942), фундаментальные работы которых создали то, что сейчас называется классической линеаризованной теорией автоматического регулирования (ТАР).

Принцип работы парового двигателя - изображение 109 - изображение 109

Источники:

Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Оставить комментарий:

Отправить

Полезные сервисы:

Опрос: Насколько Вам помогла информация на нашем сайте? (Кол-во голосов: 193)
Сразу все понял
Не до конца понял
Пришлось перечитывать несколько раз
Вообще не понял
Как я сюда попал?
Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты