Avto-love.ru

Первая паровая машина в мире

Паровой автомобильный транспорт сегодня

Паровой транспорт, как сегодня считается, давно остался в прошлом. Однако возрождение, в частности, паровых грузовиков и автобусов (паробусов) представляется реальностью на современном уровне развития техники и технологии машиностроения. Это подтверждают зарубежные специалисты.

Наши пар и дрова

Идея создания современного, неприхотливого в эксплуатации, надёжного и работающего на дешёвом топливе парового грузовика занимала умы изобретателей и конструкторов после Великой Отечественной войны, когда эпоха пара в технике всё более уверенно вытеснялась дизельной. Историкам автомобильной техники хорошо известен отечественный паровой грузовик НАМИ-012, разработанный в начале 1950-х гг. специалистами столичного Научного автомоторного института «НАМИ» и работавший на дровах. (см. «Затея с паромобилями» и «Паровой автомобиль НАМИ-012»)

Паросиловая установка грузовика НАМИ-012 оказалась сложнее автомобильных силовых установок с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Правда, справедливости ради, необходимо отметить малоизвестный факт. На паровой машине НАМИ-012 были проведены экспериментальные исследования в широком диапазоне изменения частоты вращения выходного вала. Удалось установить, что для паровых моторов (высокооборотных паровых машин) с ростом частоты вращения механический КПД монотонно снижается из-за роста механических потерь, но относительный индикаторный КПД увеличивается в большей степени, что объясняется значительным снижением потерь от утечек пара и теплообмена между паром и стенками цилиндров.

А вот гидравлические потери при впуске пара в цилиндр увеличиваются незначительно. После достижения некоторой критической частоты вращения вала наблюдается обратный эффект, когда с ростом частоты вращения гидравлические потери увеличиваются значительнее, чем снижаются потери от утечек пара и теплообмена, что приводит к снижению относительного индикаторного КПД.

Таким образом, при изменении частоты вращения вала у парового мотора его эффективный, относительные индикаторный и эффективный КПД увеличиваются только при условии, что частота вращения не превышает критического значения. Максимальные значения этих КПД достигаются при критической частоте вращения.

Выгодный пар

Паровой автомобильный транспорт, в том числе грузовики и автобусы, сегодня вполне реально рассматривать как один из возможных путей решения проблемы очищения воздуха в городах. Загрязнение атмосферы городов выхлопными газами уже достигло пределов, угрожающих здоровью людей. А что может предложить паровая техника?

Во-первых, выхлоп самой паровой машины экологически чистый – это водяной пар. Под паровым котлом можно сжигать фактически любое углеводородное топливо. А выхлоп от котла будет гораздо чище, чем от ДВС, поскольку топливо сгорает в топке или горелке при значительно более низких давлениях, чем в цилиндрах ДВС. Ещё возможно добавить к горелке некий аналог каталитического нейтрализатора выхлопных газов, как у ДВС.

Во-вторых, котлостроение за 60 с лишним лет, после создания паросиловой установки грузовика НАМИ-012, ушло далеко вперёд. Создание в XXI столетии малогабаритного транспортного парового котла прямоточной конструкции, экономичного и с высокой степенью автоматизации работы – это объективная реальность. Кстати, такая задача была под силу ещё в докомпьютерную эпоху 1930-х гг. известным братьям Добл. Особенно, если разработку сегодня вести с использованием компьютерных систем автоматизированного проектирования (САПР) для трёхмерного моделирования, расчётов и оптимизации.

В-третьих, ДВС нашего времени более компактны, чем ряд автомобильных паровых моторов прошлого, и вполне возможна конверсия их в современные паровые моторы. У них будут все достоинства паровых поршневых машин: плавность хода, практическая бесшумность при работе, большой крутящий момент на валу, отсутствие коробки передач, сложной трансмиссии, стартера, глушителя. Отпадает потребность и в смазочном масле: вполне сгодится вода!

В-четвёртых, опасность размораживания паросиловой установки в зимний период возможно свести на нет за счёт герметичной системы парообразования и применения незамерзающих жидкостей, способных эксплуатироваться длительное время без утечек.

В-пятых, многим специалистам может показаться, что запуск парового грузовика или автобуса будет более продолжительным, чем у обычного транспорта с ДВС. Однако уже к началу 1970-х были отработаны конструкции паровых моторов, способных переходить от холодного состояния до момента трогания с места транспортного средства всего за 30–35 с.

Паровой «Циклон»

Знания из истории паротехники (о неэффективной прямоточной машине Штумпфа), теории термодинамики и теплотехники (к примеру, как снизить потери в паровой машине), проектирование с использованием САПР, современные конструкционные материалы и отмеченные достоинства парового мотора – всё это воплощают в железе зарубежные изобретатели высокотехнологичного паросилового агрегата «Циклон». Мощностной ряд этих силовых агрегатов, в частности, для грузового автомобильного транспорта и автобусов успешно разрабатывается командой специалистов из США.

Автором изобретения «Двигатель с регенерацией тепла» (патент США US 7,080,512) является Гарри Шоэлл (Harry Schoell – англ.). Характерные особенности такого парового мотора из состава силового агрегата «Циклон» состоят в звездообразном расположении цилиндров и работе со смазкой деионизированной водой без смазочного масла.

Тепловой регенеративный поршневой двигатель внешнего сгорания «Циклон» может потреблять фактически любое жидкое или газообразное топливо. Испытывали даже на апельсиновой кожуре! Имея уже необходимую патентную защиту (патент РФ RU 2357091) своего двигателя, как отмечают разработчики, они могут продавать лицензии на «Циклон» и инвестировать партнёров в России. К слову, получено несколько десятков патентов по всему миру, как на агрегат в целом, так и на составляющие его элементы (например, на камеру сгорания парогенератора, компактный конденсатор отработавшего пара).

Читать еще:  Трещины вдоль протектора шин что это

Силовой агрегат «Циклон» работает при давлении водяного пара на уровне 20 МПа и его температуре порядка 650 ºС. Он устроен и функционирует следующим образом. Вода из бака (условно не показан) подаётся в парогенератор 1, который вырабатывает свежий пар 2А, 2В. В камеру сгорания парогенератора 1 подаётся топливо и воздух 7В. Свежий пар 2А, 2В поступает в клапанный паровой мотор 3 и срабатывает в нём. Отработавший пар 5А, 5В направляется в конденсатор 4. Для лучшей конденсации пара в конструкции конденсатора 4 предусмотрен охлаждающий вентилятор 6, создающий воздушный поток 7А. Конденсат 8А, 8В водяного пара подается обратно в парогенератор 1.

Несколько примеров по части материалов, из которых изготовлен силовой агрегат «Циклон». Так, корпус и основные детали парового мотора сделаны из лёгких сплавов и композиционных материалов: поршни – из алюминия, а недающие им соприкасаться со стенками цилиндров головки и уплотнения – из жаростойкого углеродного волокна.

Подведём итоги

Интерес к паровым грузовикам и автобусам, как и к другому паровому наземному транспорту, сегодня вновь возрождается. Причём если обратиться к истории, то такое происходит уже не в первый раз. Насколько окажется результативным очередной паровой ренессанс на транспорте? Это покажет время.

Кто открыл паровой двигатель?

Механический динозавр – паровоз, имеет достаточно сил, чтобы развить скорость до 100 миль в час, и для этого ему нужны только вода и уголь. Но в наше время эти механические гиганты вымерли почти во всём мире. Они уже больше не катаются по железным дорогам, но память о них осталась в сердцах людей. Во многих городах они стоят на постаментах в виде памятников, которыми восхищаются туристы.

Для того, чтобы паровоз двигался, он был оснащён паровым двигателем. Создание его стало самой настоящей революцией XVIII – XIX веков. Паровые двигатели стоят в одном ряду с автомобилями, самолётами, телефонами, радио, телевидением, как гениальное изобретение в истории человечества. Паровозы – это настоящее чудо в машиностроении. Так как же они могут работать, выпуская весь этот дым и пар?

Для того, чтобы что-нибудь производить требуется энергия. Она нужна даже для того, чтобы кататься на велосипеде или скейтборде и многое другое. Большая часть энергии, которой мы пользуемся в наши дни, производится из нефтепродуктов. Но так было не всегда. До XX века самым распространённым топливом в мире был уголь. При помощи него двигались паровозы и корабли, а также некоторые первые самолёты, паровой двигатель для которых изобрёл американец Сэмюэль П. Лэнгли, являющийся конкурентом братьев Райт.

Так как же появился паровой двигатель? Он является машиной, сжигающей уголь, для выделения тепловой энергии. Это напоминает огромный самовар, под которым сжигается уголь. От этого закипает вода, и появляется пар. Но этот пар не улетает в небо, как у самовара, а собирается, а затем применяется для работы машины.

Паровой двигатель состоит из четырёх частей: водяного котла, угольной топки, специального поршня и цилиндра, как у велосипедного насоса, и крепежа к поршню. В топке сгорает уголь, нагревающий воду в котле. От кипящей воды выделяется пар, который движется по трубопроводу в цилиндр. Внутри него начинает двигаться поршень то вперёд, то назад. Такое его движение называется возвратно поступательным. Оно нужно для привода. Этот весь механизм прикрепляется к поршню, который может быть где угодно: в заводской машине, водяном насосе, паровозе. Это очень примитивное описание парового двигателя. Конечно же в нём имеется большое количество различных деталей.

Сейчас вы увидите краткую историю парового двигателя. В I веке в Александрии была продемонстрирована вращающаяся сфера на парах. Её назвали эолипилом. Имя мастера — Герон. Это было настоящим чудом. Гораздо позднее, уже в XVI веке, архитектором Джованни Бранкой была использована паровая струя, чтобы привести во вращение лопасти маленького колеса. Это стало преддверием появления паровой турбины, которую разработал сэр Чарльз Парсонс в 1884 году.

В XVII веке голландским физиком Христианом Гюйгенсом был создан первый поршневой двигатель. В нём использовался простой цилиндр и поршень, которые приводил в движение взрывающийся порох. Но его помощник, Дени Папен, считал, что паром будет лучше заставить работать цилиндр и поршень.

В конце XVII века Томас Савери изобрёл водяной насос, работающий от пара. Этому механизму дали название «Шахтёрский друг». Паровой насос Савери был предназначен для откачки воды их шахт. В 1712 году Томасом Ньюкменом была придумана ещё более успешная конструкция парового насоса, чем у Савери. А ещё позднее, в XVIII веке, инженер из Шотландии Джеймс Уатт изобрёл более интересный способ получения паровой энергии. Он усовершенствовал насос Ньюкомена, изменив конструкцию двигателя. В нём было более широкое распространение пара. В конце этого же века английским горным инженером Ричардом Тревитиком была проработана новая версия двигателя Уатта. В новом двигателе использовались пары высокого давления. Это стало преддверием изобретения паровоза. В 1770 году французский военный Николя-Жозеф Кюньо изобретает трёхколёсный трактор с паровым двигателем.

Читать еще:  Схема стробоскопа на светодиодах для установки зажигания

В 1803 году появился на свет двигатель, в котором использовалось несколько цилиндров. Его изобретателем стал Артур Вульф. А ещё через год в Америке Оливером Эвансом был изобретён первый автомобиль, работающий на пару. Этим инженером было построено более 50 моделей таких автомобилей и других механизмов. В 1807 году по реке Гудзон отправился в плавание первый пароход. Его изобретателем стал Роберт Фултон. А уже в 1818 году появился корабль, который смог пересечь Атлантический океан за 27 дней. Его путь был от Нью-Йорка до Ливерпуля.

В 1825 году была построена первая в мире паровая железная дорога. Создателем её стал Джордж Стефенсон. Она была проложена между Стоктоном и Дарлингтоном. Сначала по ней перевозили только грузы. Пассажиры путешествовали в конных экипажах. Впервые паровую энергию для перевозки людей стали использовать Ливерпуль и Манчестерская железная дорога в 30-х годах XIX века. В России в 1833 и 1835 годах были построены первые паровозы. Их создателями являются отец и сын Черепановы. Масса их паровозов составляла около двух с половиной тонн. Для топки Черепановы использовали дрова.

В 1882 году в Нью-Йорке впервые появляется электростанция, которую изобрёл Томас Эдисон. В ней использовались высокоскоростные паровые двигатели, которые питали генераторы. А через два года Чарльзом Парсонсом была разработана паровая турбина для высокоскоростной лодки.

Но в наши дни паровые двигатели стали неэффективны. В них огонь, выделяющий энергию, отделён от цилиндра, превращающего энергию тепла в механическую. Это были двигатели внешнего сгорания, приводящие в движение различные механизмы. Их вытеснили более компактные и эффективные бензиновые двигатели и электричество. Таким образом паровозы и другие паровые машины исчезли из нашей жизни.

Когда автомобиль будет иметь паровой двигатель?

Так сложилось, что даже люди с техническим образованием мало что знают об этом устройстве. Сегодня мы и восполним этот пробел, вспомним, как устроен паровой двигатель, его принцип действия. Его преимущества, недостатки и применении в современных условиях. И немного о истории изобретения.

Паровая машина кардинально изменила картину мира, произвела революцию в промышленности, на транспорте, дала импульс для новых открытий. Она служила универсальным двигателем на протяжении XIX века, и даже с появлением механизмов, требующих высоких скоростей, не канула в лету. Вместо тихоходной паровой машины ученые разработали быстроходную турбину с одним из самых высоких к.п.д.

История изобретения парового двигателя

Упоминание о первых паровых машинах датировано первым столетием нашей эры. Устройство, описано Героном Александрийским ‒ пар выходил из сопл, закреплённых на шаре, и приводил в движение двигатель.

Правда, настоящая паровая турбина появилась в Египте в 16 веке. Ее изобрел араб Таги-аль-Диноме.

Подобную машину построил 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка. То есть, как только в обществе наступило экономическое благополучие и возникла необходимость в данном механизме, его тот час же изобрели.

В конце 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.

Паровой котёл создал француз Дени Папен. Он же изобрёл и предохранительный клапан для стравливания избыточного давления. Дело в том, что высокое давление, создаваемое паром, приводило к частым взрывам.

Кстати, в то же время появилось и расхожее выражение: «выпустить пар», которое означало ‒ успокоить нервы, пошумев на окружающих, без сноса собственного котелка и без жертв среди мирного населения.

Но на этом история паровых двигателей не прервалась. Англичанин Томас Ньюкомен в 1712 году сделал шахтный насос для подачи воды на верх. Двигатель Ньюкомена стал пользоваться спросом, с его массового выпуска началась английская промышленная революция.

В России первую паровую машину в 1763 году спроектировал И.И.Ползунов. С ее помощью приводились в действие воздуходувные меха на заводах.

А француз Николас-Йозеф Куньо шесть лет спустя сконструировал первую паровую телегу. Она приводила в движение сельскохозяйственные механизмы.

Читать еще:  Ремонт рабочего цилиндра сцепления нива шевроле

А в 1788 году Джон Фитч построил пароход, который вмещал 30 человек, и шел со скоростью до 12 километров в час.

В 1804 году на металлургическом заводе в Южном Уэльсе был испытан первый железнодорожный паровой поезд, его построил Ричард Тревитик.

Как устроен паровой двигатель. Принцип действия

Для работы паровой машины потребуется паровой котёл. Поступающий из него пар, расширяется и воздействует на поршень или же на лопатки паротурбины, затем их движение передаётся на другие механические части устройства.

Как устроен паровой двигатель показано на иллюстрации

Движение поршня через шток, ползун, шатун и кривошип передаётся на главный вал, который несет маховик, необходимый для снижения неравномерности вращения.

Эксцентрик, находящийся на главном валу, через эксцентриковую тягу воздействует на золотник, который управляет впуском пара в цилиндре. Пар из цилиндра выбрасывается в атмосферу или направляется в конденсатор.

Чтобы поддерживать постоянное число оборотов вала, при изменении нагрузки, на паровых машинах устанавливают центробежный регулятор, он автоматически изменяет сечение прохода пара, направляемого в паровую машину (при дроссельном регулировании) или момент отсечки наполнения (при количественном регулировании).

Поршень создает в цилиндре парового двигателя одну (две) полости переменного объёма, в них и происходят процессы сжатия и расширения.

Преимущества и недостатки

Основное преимущество паровой машины, как двигателя внешнего сгорания, отделение котла от самой машины. Это дает возможность использовать что угодно в качестве топлива хоть хворост, хоть урановое топливо, что выгодно отличает ее от двигателя внутреннего сгорания ‒ там для каждого типа требуется определённый вид горючего.

Заметнее всего это преимущество в случае с ядерным реактором, который не может производить механическую энергию, а вырабатывает лишь тепло, которое используют для получения пара, вращающего паровые турбины.

В двигателях внешнего сгорания можно использовать и другие источники тепла, например, энергию солнца или энергию разности температур океана на разной глубине.

Интересный факт, паровой локомотив хорошо работает на больших высотах, при чем эффективность двигателя не падает, а, наоборот, растет благодаря низкому атмосферному давлению.

Паровозы и сегодня используют в горной местности Латинской Америки и Китая, при том, что в равнинных районах они давно заменены на более современные типы локомотивов.

Даже в Швейцарии и в Австрии в ходу усовершенствованные тепловозы, работающие на сухом паре. Их разработали на основе модели SLM производства 1930 года. В конструкцию внесли ряд изменений: использовали роликовые подшипники, современную теплоизоляцию, новые виды топлива, специальные паропроводы и ряд других новшеств.

Благодаря этому потребление топлива уменьшилось на 60 процентов, а вес стал ниже, чем у дизельных и электрических аналогов, что актуально для железных дорог, проходящих в горной местности.

Среди других положительных качеств парового двигателя:

  • высокая надёжность;
  • возможность эксплуатации при значительных колебаниях нагрузки;
  • допустимость продолжительных перегрузок;
  • долговечность;
  • низкие расходы на эксплуатацию;
  • простота в обслуживании.

К недостаткам можно отнести:

  • наличие кривошипно-шатунного механизма;
  • низкий КПД по сравнению с другими типами двигателей.

Применение в настоящее время

Сегодня паровые машины нашли широкое применение в виде паровых турбин, которые работают как приводы электрогенераторов.

Паровая турбина состоит из вращающихся дисков, которые закреплены на одной оси. Этот узел называется ротором. Также есть статор ‒ его неподвижные диски чередуются с дисками ротора. На дисках ротора размещены лопатки, при попадании на них пара, механизм приходит в движение.

Аналогичные лопатки, только расположенные под противоположным углом, есть и на дисках статора. Они служат для перенаправления струи пара на следующий диск ротора.

Турбина преобразует энергию пара во вращательное движение без каких-либо дополнительных механизмов. То есть преобразование возвратно-поступательного хода во вращательное движение делать не нужно.

Также у турбин меньшие размеры нежели у возвратно-поступательных машин, и они отличаются постоянным усилием на выходном валу. Ещё один плюс ‒ простая конструкция, а значит придётся меньше тратить средств на эксплуатацию.

Сфера использования паровых турбин ‒ производство электроэнергии. Более 85 процентов электрической энергии вырабатывают именно паровые турбины. Также их используют как судовые двигатели, в частности на подводных лодках и атомоходах.

Теперь вы знаете, как устроен паровой двигатель, что паровая машина, изобретённая ещё в первом столетии нашей эры, вовсе не анахронизм, а современное высокотехнологичное устройство, благодаря которому жизнь многих людей стала комфортнее.

Перспективы применения паровых машин на автомобилях имеют пока туманные очертания, но творческая мысль изобретателя не имеет границ и я с полной уверенностью могу предположить, что скоро появятся двигатели с элементами парового носителя

Подписывайтесь на наш блог, чтобы узнать много нового и интересного. Поделитесь этой информацией с друзьями в социальных сетях ‒ пусть они повысят свой технический уровень, ну и вам будет приятно иметь умных друзей.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector