Паровые машины

Паровая тяга все еще обеспечивает значительную часть требуемой нам энергии. Даже лучшие из современных атомных реакторов всего лишь источники тепла, превращающие воду в пар для вращения турбин, соединенных с электрогенераторами.

Первая паровая машина была изобретена в I в н. э. греческим инженером Геро Александрийским. Полый шар был подвижно закреплен на двух трубах, через которые подавался пар из небольшого котла. Пар наполнял шар и выходил через две трубки, отходящие от противоположных его сторон. Струи выходящего пара заставляли шар вращаться. Хотя это устройство и представляло определенный интерес, в те времена оно оказалось бесполезным.

Первая паровая машина, нашедшая практическое применение, была создана в 1698 г английским инженером Томасом Сэвери. Пар охлаждался в камере до образования конденсата. В результате резкого уменьшения объема возникал парциальный вакуум, используемый для откачивания воды из угольных шахт.

Сила поршня

В двигателе, изобретенном английским инженером Томасом Ньюкоменом ок. 1710 г, пар внутри цилиндра толкал вверх поршень. За тем цилиндр охлаждали, чтобы сконденсировать пар и вернуть поршень в нижнее положение. При конденсации пара давление в цилиндре падало, и атмосферного давления было достаточно, чтобы поршень опустился вниз. Поэтому Ньюкомен назвал свой двигатель пароатмосферным. Он применялся для работы шахтных насосов. Хотя эффективность этого двигателя была выше, чем у машины Сэвери, он работал очень медленно и с низким КПД. Это объясняется тем, что после охлаждения цилиндр нужно было снова нагревать, чтобы заставить пар толкать поршень вверх, иначе он бы сразу конденсировался.

Двигатель Уатта

Эту проблему решил шотландский инженер Джеймс Уатт.В созданном им в 1769 г двигателе пар направлялся в отдельную камеру для конденсации.

Так как цилиндр не нужно было поочередно нагревать и охлаждать, тепловые потери двигателя были относительно небольшими. Кроме того, двигатель Уатта был более быстродействующим, поскольку можно было подавать большее количество пара в цилиндр, как только поршень возвращался в свое исходное положение. Благодаря этому и другим усовершенствованиям, придуманным Уаттом, для паровой машины нашлись многочисленные практические применения.

К наступлению викторианской эпохи мощные паровозы совершили революцию в средствах передвижения по суше. Паровые машины также обеспечивали энергию для печатания газет, ткачества и для работы стиральных машин в "паровых" прачечных. Паровые двигатели использовались на площадках аттракционов, а фермеры с помощью паровой тяги пахали землю. Уборщики пользовались работающими на пару пылесосами, а в престижных городских парикмахерских были даже щетки для массажа кожи головы с паровым приводом.

Вращательное движение

В большинстве первых паровых машин двигающиеся в цилиндрах поршни создавали возвратно-поступательное движение, которое затем можно было преобразовывать во вращательное движение с помощью механических устройств.

Маркиз де Дион был одним из родоначальников автомобилестроения во Франции. На фото он управляет трехколесным автомобилем с паровым двигателем, который был построен им в 1897 г. Двигатель установлен спереди и имеет привод на заднее колесо.

Паровые турбины сразу преобразуют энергию пара во вращательное движение. В XIX в некоторые изобретатели экспериментировали с паровыми турбинами, но только в 1884 г английский инженер Чарльз Парсонс создал рентабельную и работоспособную конструкцию. Спустя несколько лет после изобретения, его турбины стали использоваться на судах и в генераторах тока

Преобразование энергии

Паровые двигатели и турбины преобразуют тепло в энергию. При этом тепло от сжигания топлива идет на кипячение воды, объем которой в парообразном состоянии увеличивается в 1600 раз, а давление пара создает движение. В поршневых двигателях пар расширяется в цилиндре и толкает поршень.

Двухцилиндровый паровой двигатель с высокой степенью сжатия был раньше установлен на небольшом грузовом судне.

В паровых турбинах расширяющийся пар вращает оснащенные лопатками роторы. В обоих случаях пар отдает тепловую энергию

Паровые двигатели и турбины относятся к двигателям внешнего сгорания так как нагрев происходит вне рабочей камеры, обычно за счет сжигания топлива. Пар производят в котлах, нагреваемых при сжигании нефти или угля. На атомных электростанциях тепло обеспечивают ядерные реакции.

Двойное действие

В простых паровых машинах пар создает давление на одной стороне цилиндра, заставляя его двигаться. Но в большинстве паровых двигателей обе стороны поршня используются для получения механической энергии. Сначала пар попадает на одну сторону и двигает поршень вперед, а затем на другую сторону, возвращая его назад. Поэтому такие двигатели называются двигателями двойного действия.

Рабочий цикл начинается с подачи пара на одну сторону цилиндра через входное отверстие, после чего оно закрывается, а пар, расширяясь, толкает поршень вниз по цилиндру Затем пар поступает на другую сторону поршня, заставляя его возвращаться назад при этом пар на первой стороне выходит через выхлопное отверстие Пар поочередно подается на одну из сторон поршня, а другая сторона автоматически соединяется с выхлопным отверстием.

В большинстве паровых двигателей всем рабочим циклом каждого поршня управляет один D-образный клапан. Он скользит взад-вперед, обеспечивая требуемое соединение с входным и выхлопным отверстиями пара. У некоторых больших паровых двигателей отдельные клапаны имеются по обе стороны поршня.

Коленчатый вал

Возвратно поступательное движение преобразуется во вращательное с помощью шатуна и коленчатого вала. Коленчатый вал - это рычаг, соединенный с тяжелым маховиком а шатун соединяет этот вал с поршнем или его штоком. При движении поршня вперед и назад коленчатый вал вращается, а маховик выравнивает создаваемое вращательное усилие.

Температура пара падает при его расширении в цилиндре. Подобный эффект можно наблюдать, используя аэрозольный баллон благодаря расширению газа вытеснителя возникает ощущение прохлады от струи аэрозоля. В простом паровом двигателе двойного действия пар, расширяясь, охлаждает ту часть цилиндра, куда будет подаваться свежий пар.

При сильном расширении пара охлаждающий эффект может вызвать большие тепловые потери в двигателе. Эти потери можно компенсировать за счет сжигания большего количества топлива, но при этом снижается КПД двигателя. Температурные изменения можно уменьшить, если ограничить давление подаваемого в цилиндр пара для снижения степени его расширения. Однако при этом становится меньше и мощность двигателя.

Компаунды

Эта проблема решается, если позволить пару сначала частично расшириться в малом цилиндре высокого давления. Затем отработавший пар поступает в больший цилиндр низкого давления, где происходит его дальнейшее расширение. Паровые машины с двумя или несколькими такими цилиндрами называются комбинированными двигателями или компаундами.

Двигатели с трехкратным расширением - это компаунды с цилиндрами высокого, среднего и низкого давления. Такие двигатели широко применялись на судах, а некоторые немецкие корабли оснащались двигателями с четвертой ступенью расширения.

Прямоточные двигатели

Прямоточные двигатели позволяют снизить тепловые потери за счет резкого уменьшения колебаний температуры в цилиндре. Пар, подаваемый в разные части цилиндра, расширяется и выпускается через кольцо выхлопных отверстий в его центре. Поэтому цилиндр остается относительно горячим по краям и более прохладным в средней части, где он контактирует с расширенным паром. Тепловые потери введены к минимуму, так как ни одна часть цилиндра не подвергается большим изменениям температуры.

Турбины

Главным рабочим органом турбины является ротор, оснащенный рядом лопаток. Он находится внутри корпуса с неподвижными лопатками, направляющими поток пара. Пар высокого давления вращает ротор.

Пар поступает в корпус турбины через сопла. При выпуске пара его давление падает, и он расширяется. Это приводит к увеличению его скорости, которая может в несколько раз превышать скорость звука. Так, при расширении пара и падении его давления с 12 атм. до 0,5 атм. достигается скорость примерно 1100 м/с.

Высокая скорость, большая энергия

Движущийся с такой скоростью пар обладает большой энергией, но она не вся легко передается лопастям ротора турбины. Для максимальной передачи энергии пара турбине ее лопатки должны вращаться со скоростью, которая в два раза меньше скорости пара. Но зачастую этого трудно добиться, и потери энергии могут быть большими. Один из путей решения данной проблемы - установка нескольких рядов лопаток турбины, чтобы давление постепенно снижалось на каждом из них. Такие турбины называются компаундированными по давлению. Длина лопаток постепенно увеличивается в направлении от впускного к выпускному каналу, чтобы пару было где расширяться.

В некоторых турбинах пар, пройдя один ряд лопаток, без дальнейшего расширения направляется на второй, а иногда и на третий ряд. Турбины такого типа называются компаундированными по скорости.

Судовые турбины

На одних пароходах турбины используются как привод для электрогенератора, вырабатывающего энергию для электродвигателя, который вращает гребной винт. На других судах турбина вращает гребной винт через ряд редукторов, снижающих скорость вращения до относительно малой величины, требуемой для экономичной работы винта.

На больших судах вместо одного длинного ротора турбины можно установить бок о бок два более коротких ротора, соединенных с одним источником пара. Это позволяет уменьшить общую длину двигателя. Такие роторы называются перекрестно-компаундированными.

Электростанции

Гигантские турбины электростанций служат приводами для генераторов тока. При мощностях до 300 МВт (300 000 кВт) одна линия роторов турбины используется для одного генератора. При больших мощностях два перекрестно-компаундированных ротора подключены к отдельным генераторам.

Генераторы электростанций вырабатывают переменный ток. Такой ток меняет свое направление много раз за секунду.

Частота сети

По сложившейся технической традиции, ставшей со временем промышленным стандартом, в большинстве стран и Западной, и Восточной Европы системы электроснабжения обеспечивают подачу тока, совершающего 50 циклов (циклом называются два полных изменения направления) в секунду. Это - частота сети, выражаемая в герцах (Гц) и равная в данном случае 50 Гц. (1 Гц = 1 цикл в секунду.)

Частота вырабатываемого тока зависит от скорости вращения турбин и генераторов. Для производства тока частотой 50 Гц скорость вращения турбины должна быть 3000 об./мин В Северной Америке частота сетей электроснабжения 60 Гц обеспечивается за счет скорости вращения турбин 3600 об./мин.