Парові машини

Паровые машини

Паровая потяг досі забезпечує значну частину необхідної нам енергії. Навіть найкращі з сучасних атомних реакторів лише джерела тепла, здатні перетворювати води пар для обертання турбін, поєднаних з электрогенераторами.

Первая парова машина була винайдено у І в зв. е. грецьким інженером Геро Олександрійським. Порожній кулю був рухомий закріплено двома трубах, якими подавався пар з невеликого казана. Пара наповнював кулю та виходив за два трубки, що відходять від протилежних його сторін. Струменя що виходить пара змушували кулю обертатися. Хоча цей прилад і представляло певний інтерес, на той час воно виявилося бесполезным.

Первая парова машина, знайшла практичне застосування, була створена 1698 р англійським інженером Томасом Сэвери. Пара охолоджувався в камері до освіти конденсату. У результаті різкого зменшення обсягу виникав парциальный вакуум, використовуваний для відкачування води з вугільних шахт.

Сила поршня

В двигуні, винайденому англійським інженером Томасом Ньюкоменом прибл. 1710 р, пар всередині циліндра штовхав вгору поршень. По те циліндр прохолоджували, щоб скондесувати пар й повернути поршень в нижнє становище. При конденсації пара тиск у циліндрі падало, і атмосферного тиску було чимало, щоб поршень опустився вниз. Тому Ньюкомен назвав свій двигун пароатмосферным. Він застосовувався до роботи шахтних насосів. Хоча ефективність цього двигуна була вище, ніж в машини Сэвери, він дуже повільно й з низьким ККД. Це пояснюється лише тим, що відбулося після охолодження циліндр потрібно було знову нагрівати, щоб змусити пар штовхати поршень вгору, інакше він відразу конденсировался.

Двигатель Уатта

Эту проблему вирішив шотландський інженер Джеймс Уатт. В створеному ним 1769 р двигуні пар вирушав окрему камеру для конденсации.

Так як циліндр непотрібно по черзі нагрівати і охолоджувати, теплові втрати двигуна були щодо невеликими. З іншого боку, двигун Уатта був швидкодіючим, оскільки можна було подавати більше пара в циліндр, щойно поршень повертався на свій початкове положення. Завдяки цьому та інших вдосконаленням, вигаданим Уаттом, для паровий машини знайшлися численні практичні застосування.

К наступові вікторіанської епохи потужні паровози зробили революцію у засобах пересування суші. Парові машини також забезпечували енергію для друкування газет, ткацтва й у роботи пральних машин «парових «пралень. Парові двигуни використовувалися на майданчиках атракціонів, а фермери з допомогою паровий тяги орали землю. Прибиральники користувалися які працюють разом пилососами, а престижних міських перукарень було навіть щітки для масажу шкіри голови з паровим приводом.

Вращательное движение

В більшості перших парових машин рухаються в циліндрах поршні створювали возвратно-поступательное рух, яке потім можна було перетворювати у обертальне рух з допомогою механічних устройств.

Маркиз де Діон був однією з родоначальників автомобілебудування мови у Франції. На фото він управляє трехколесным автомобілем з паровим двигуном, який побудували їм у 1897 р. Двигун встановлено попереду і має привід на заднє колесо.

Паровые турбіни відразу перетворять енергію пара у обертальне рух. У ХІХ у Красноярську деякі винахідники експериментували з паровими турбінами, але у 1884 р англійський інженер Чарльз Парсонс створив рентабельну і працездатну конструкцію. Через кілька років по його винаходи, його турбіни стали використовуватися на судах й у генераторах струму.

Преобразование энергии

Паровые двигуни, і турбіни перетворять тепло в енергію. У цьому тепло від спалювання палива йде кип’ятіння води, обсяг якої у пароподібному стані збільшується в 1600 раз, а тиск пара створює рух. У поршневих двигунах пар розширюється в циліндрі і штовхає поршень.

Двухцилиндровый паровий двигун з високим рівнем стискування колись був установлено в невеличкому вантажному судні.

В парових турбінах дедалі ширший пар обертає оснащені лопатками ротори. У обох випадках пар віддає теплову энергию Паровые двигуни, і турбіни ставляться до двигунам зовнішнього згоряння оскільки нагрівання відбувається поза робочої камери, зазвичай з допомогою спалювання палива. Пара виробляють в казанах, нагреваемых під час спалювання нафти чи вугілля. На атомних електростанціях тепло забезпечують ядерні реакції.

Двойное действие

В простих парових машинах пар створює тиск з одного боку циліндра, примушуючи його рухатися. Але у більшості парових двигунів обидві сторони поршня використовуються щоб одержати механічної енергії. Спочатку пар потрапляє однією інший бік і рухає поршень вперед, та був в іншу бік, повертаючи його тому. Тому такі двигуни називаються двигунами подвійного действия.

Рабочий цикл починається із подачі пара однією бік циліндра через вхідний отвір, після чого він закривається, а пар, розширяючись, штовхає поршень вниз по циліндру Потім пар надходить в іншу бік поршня, примушуючи його повертатися тому у своїй пар на першої боці виходить через вихлопне отвір Пара по черзі подається одну з сторін поршня, іншу сторона автоматично сполучається з вихлопним отвором.

В більшості парових двигунів усім робітникам циклом кожного поршня управляє один D-образный клапан. Він ковзає туди-сюди, забезпечуючи необхідну з'єднання з вхідним і вихлопним отворами пара. В окремих великих парових двигунів окремі клапани є з обох боків поршня.

Коленчатый вал

Возвратно поступальний рух перетвориться у обертальне з допомогою шатуна і колінчатого валу. Колінчатий вал — це важіль, з'єднаний зі складним маховиком, а шатун з'єднує цей вал з поршнем або його штоком. При русі поршня уперед і тому колінчатий вал обертається, а маховик вирівнює створюване обертальне усилие.

Температура пара падає за його розширенні в циліндрі. Такий ефект можна спостерігати, використовуючи аэрозольный балон шляхом розширення газу вытеснителя виникає відчуття прохолоди від струменя аерозолю. У простому паровому двигуні подвійного дії пар, розширяючись, відповідає ті частини циліндра, куди подаватиметься свіжий пар.

При сильному розширенні пара охолоджувального ефекту може викликати великі теплові втрати у двигуні. Ці втрати можна компенсувати з допомогою спалювання великої кількості палива, та заодно знижується ККД двигуна. Температурні зміни можна зменшити, обмеживши тиск подаваного в циліндр пара зниження ступеня розширення. Однак цьому дедалі менше і потужність двигателя.

Компаунды

Эта проблема вирішується, якщо дозволити пару спочатку частково розширитися у малих циліндрі високого тиску. Потім отработавший пар вступає у більший циліндр низького тиску, де відбувається його подальше розширення. Парові машини з цими двома чи кількома такими циліндрами називаються комбінованими двигунами чи компаундами.

Двигатели з триразовим розширенням — це компаунды з циліндрами високого, середнього та низький тиск. Такі двигуни широко застосовувалися на судах, і деякі німецькі кораблі оснащували двигунами з четвертої щаблем расширения.

Прямоточные двигатели

Прямоточные двигуни дозволяють знизити теплові втрати з допомогою різкого зменшення коливань температури в циліндрі. Пара, подаваний у частини циліндра, розширюється й випускається через кільце вихлопних отворів у його центрі. Тому циліндр залишається щодо гарячим з обох боків і більше прохолодним в середині, де зараз його контактує з розширеним пором. Теплові втрати запроваджені до мінімуму, бо ані друга циліндра не піддається великим змін температуры.

Турбины

Главным робочим органом турбіни є ротор, оснащений поруч лопаток. Він перебуває всередині корпусу з нерухомими лопатками, напрямними потік пара. Пара високого тиску обертає ротор.

Пар вступає у корпус турбіни через сопла. При випуску пара його тиск падає, і він розширюється. Це спричиняє збільшення його швидкості, яка може у кілька раз перевищувати швидкість звуку. Так, у результаті розширення пара та падіння його тиску з 12 атм. до 0,5 атм. досягається швидкість приблизно 1100 м/с.

Высокая швидкість, велика энергия

Движущийся з такий швидкістю пар має досить енергії, але він нелегко передається лопатях ротора турбіни. Для максимальної передачі енергії пара турбіни її лопатки повинні обертатися зі швидкістю, що у двічі менше швидкості пара. Але найчастіше цього важко домогтися, і енергії може бути великими. Один із шляхів розв’язання цієї проблеми — установка кількох рядів лопаток турбіни, щоб тиск поступово знижувалося кожному їх. Такі турбіни називаються компаундированными щодо тиску. Довжина лопаток поступово збільшується в напрямі від впускного до випускного каналу, щоб пару було де расширяться.

В деяких турбінах пар, пройшовши один ряд лопаток, без подальшого розширення іде другого, котрий іноді втретє ряд. Турбіни подібного типу називаються компаундированными по скорости.

Судовые турбины

На одних пароплавах турбіни використовують як привід для електрогенератора, який виробляє енергію для електродвигуна, який обертає гребний гвинт. На інших судах турбіна обертає гребний гвинт через ряд редукторів, знижують швидкість обертання до відносно малій величини, необхідної для економічною роботи винта.

На великих судах замість одного довгого ротора турбіни можна встановити пліч-о-пліч два коротших ротора, поєднаних з одним джерелом пара. Це дозволяє зменшити загальну довжину двигуна. Такі ротори називаються перекрестно-компаундированными.

Электростанции

Гигантские турбіни електростанцій служать приводами для генераторів струму. При потужностях до 300 МВт (300 000 кВт) одна лінія роторів турбіни використовується на одне генератора. При великих потужностях два перекрестно-компаундированных ротора під'єднані до окремим генераторам.

Генераторы електростанцій виробляють перемінний струм. Такий струм змінює свій напрям багаторазово за секунду.

Частота сети

По сформованій технічної традиції, що стала згодом промисловим стандартом, в більшості країн і Західної, і Східної Європи системи електропостачання забезпечують подачу струму, коїть 50 циклів (циклом називаються два повних зміни напрями) в секунду. Це — частота мережі, висловлюване в герцах (гц) і рівна у разі 50 гц. (1 гц = 1 цикл в секунду.).

Частота вироблюваного струму залежить від швидкості обертання турбін і генераторів. Для виробництва струму частотою 50 гц швидкість обертання турбіни мусить бути 3000 об./хв У Північній Америці частота мереж електропостачання 60 гц забезпечується з допомогою швидкості обертання турбін 3600 об./мин.

Список литературы

Для підготовки даної праці були використані матеріали із сайту internet.