Паровой двигатель своими руками. Современный паровой двигатель Паровой двигатель 3

Поводом для постройки этого агрегата послужила дурацкая идея: "а можно ли построить паровой двигатель без станков и инструментов, используя только детали, которые можно купить в магазине" и сделать все своими руками. В результате появилась такая вот конструкция. Вся сборка и настройка заняла меньше часа. Хотя на конструирование и подбор деталей ушло полгода.

Большая часть конструкции состоит из водопроводной арматуры. Под конец эпопеи вопросы продавцов хозяйственных и прочих магазинов: "могу я вам помочь" и "а вам для чего", реально бесили.

И так собираем основание. Сперва основной поперечный элемент. Здесь используются тройники, бочата, уголки на пол дюйма. Все элементы я крепил с помощью герметика. Это для того, что бы было легче соединять и разъединять их руками. Но для финишной сборки лучше использовать сантехническую ленту.

Затем продольные элементы. К ним будут крепится паровой котел, золотник, паровой цилиндр и маховик. Здесь все элементы так же на 1/2".

Затем делаем стойки. На фото, с лева на право: стойка для парового котла, далее стойка для парораспределяющего механизма, затем стойка для маховика, и наконец держатель для парового цилиндра. Держатель маховика изготавливается из тройника на 3/4" (внешняя резьба). К нему идеально подходят подшипники из ремкомплекта для роликовых коньков. Подшипники удерживаются стяжной гайкой. Такие гайки можно найти отдельно или взять от тройника для металлопластиковых труб. Этот тройник на фото в нижнем правом углу (в конструкции не используется). В качестве держателя парового цилиндра тоже используется тройник на 3/4", только резьба вся внутренняя. Для крепления элементов 3/4" к 1/2" используются переходники.

Собираем котел. Для котла используется труба на 1". Нашел б/у на рынке. Забегая в перед, хочу сказать, что котел получился мелковат и не дает достаточного количества пара. С таким котлом двигатель работает слишком вяло. Но работает. Три детали с права это: заглушка, переходник 1"-1/2" и сгон. Сгон вставляется в переходник и закрывается заглушкой. Таким образом котел становится герметичным.

Таким котел получился изначально.

Но сухопарник оказался не достаточной высоты. Вода попадала в паропровод. Пришлось ставить дополнительный бочонок на 1/2" через переходник.

Это горелка. Четырьмя постами ранее был материал "Самодельная масляная лампа из труб". Изначально горелка была задумана именно такой. Но не нашлось подходящего топлива. Масло для ламп и керосин сильно коптят. Нужен спирт. Так что пока сделал просто держатель для сухого горючего.

Это очень важная деталь. Парораспределитель или золотник. Эта штука направляет пар в рабочий цилиндр при рабочем ходе. При обратном ходе поршня подача пара перекрывается и идет сброс. Золотник делается из крестовины для металлопластиковых труб. Один из концов нужно залепить эпоксидной замазкой. Этим концом он будет крепится к стойке через переходник.

А сейчас самая главная деталь. От неё будет зависеть заработает двигатель или нет. Это рабочий поршень и клапан золотника. Здесь используются шпилька М4 (продаются в отделах мебельной фурнитуры, проще найти одну длинную и отпилить нужную длину), металлические шайбы и войлочные шайбы. Войлочные шайбы используются для крепления стекол и зеркал с другой фурнитурой.

Войлок не самый лучший материал. Он дает не достаточную герметичность, а сопротивление ходу - существенное. В последствии удалось избавится от войлока. Для этого идеально подошли не совсем стандартные шайбы: М4х15 - для поршня и М4х8 - для клапана. Эти шайбы нужно максимально плотно, через сантехническую ленту, посадить на шпильку и той же лентой с верху намотать 2-3 слоя. Затем тщательно притереть с водой в цилиндре и золотнике. Фотографию модернизированного поршня не сделал. Лень разбирать.

Это собственно цилиндр. Изготавливается из бочонка 1/2". Двумя стяжными гайками он крепится внутри тройника 3/4". С одной из сторон, с максимальным уплотнением, наглухо крепится штуцер.

Теперь маховик. Маховик делается из блина для гантели. В центральное отверстие вставляется стопка из шайб, а в центр шайб помещается маленький цилиндр из ремкомплекта для роликовых коньков. Все крепится на герметике. Для держателя водила идеально подошла вешалка для мебели и картин. Похожа на замочную скважину. Все собирается в той последовательности, что на фото. Винт и гайка - М8.

Маховиков у нас в конструкции - два. Между ними должна быть жесткая связь. Эта связь обеспечивается стяжной гайкой. Все резьбовые соединения закрепляются лаком для ногтей.

Эти два маховика кажутся одинаковыми, однако один будет соединен с поршнем, а другой с клапаном золотника. Соответственно водило, в виде винта М3, крепится на разных расстояниях от центра. Для поршня водило располагается дальше от центра, для клапана - ближе к центру.

Теперь делаем привод клапана и поршня. Для клапана идеально подошла соединительная пластина для мебели.

Для поршня в качестве рычага используется накладка оконного замка. Подошла как родная. Вечная слава тому, кто изобрел метрическую систему.

Приводы в сборе.

Все устанавливается на двигатель. Резьбовые соединения закрепляются лаком. Это привод поршня.

Привод клапана. Обратите внимание, положения водила поршня и клапана отличаются на 90 градусов. В зависимости от того в какую сторону водило клапана опережает водило поршня, будет зависеть в какую сторону будет вращаться маховик.

Теперь осталось подсоединить трубки. Это силиконовые шланги для аквариума. Все шланги необходимо закрепить проволокой или хомутами.

Нужно заметить что тут не предусмотрен предохранительный клапан. Поэтому следует соблюдать максимальную осторожность.

Вуаля. Заливаем воду. Поджигаем. Ждем когда закипит вода. Во время разогрева клапан должен быть в положении закрыто.

Весь процесс сборки и результат на видео.

Статья, с таким заголовком, была опубликована в журнале «Изобретатель и рационализатор» №7, за 1967 год. В ней говорилось о том, что если бы паровой двигатель не был предан забвению, а продолжал совершенствоваться, то сегодня он был бы вне конкуренции.

Несмотря на бурное развитие автомобильной промышленности и доведение двигателя внутреннего сгорания (ДВС) до кажущегося совершенства, тема парового двигателя все же снова и снова появляется в различных публикациях, пытаясь привлечь к себе внимание общественности. Чем же это вызвано?

Прежде всего, несмотря на серьезные недостатки, паровой двигатель имеет очень веские достоинства, которых нет ни у одного другого двигателя, известного человечеству. Это предельная конструктивная простота, надежность, долговечность, дешевизна, экологичность, бесшумность, высокая эффективность и многое другое. Еще великий Энштейн говорил, что: «Совершенство — это не тогда, когда уже нечего больше добавить, а тогда, когда уже нечего отнять.» В паровом двигателе настолько все функционально, что действительно нечего от него отнять. Современный ДВС напротив, настолько «напичкан» многочисленными дополнениями и вспомогательными механизмами и приборами, что кажется уже нечего больше добавить.

Но все это несущественные мелочи, в сравнении с тем, что выхлопные газы являются губительными для всего живого на нашей планете. Когда автомобили являлись роскошью и далеко не каждый человек мог позволить себе приобрести его, тогда еще автомобилей было немного и существенного вреда принести они не могли, ни людям, ни живой природе. Сегодня ситуация изменилась. Автомобиль давно уже перестал быть роскошью (хоть и существуют очень дорогие и эксклюзивные модели) и является действительно необходимым средством передвижения, вполне доступным для многих людей среднего, и даже не очень среднего достатка. Это привело к тому, что количество автомобилей с каждым годом возрастает все больше и больше, а значит и вред всему окружающему, от выхлопных газов, возрастает многократно. Особенно ощутимо это в больших городах и на оживленных автомагистралях. Экологи бьют тревогу, от выхлопных газов огромной массы автомобилей гибнет все живое, разрушаются здания, портится дорожное покрытие, в воздухе зависают облака ядовитого тумана.

Некоторые автомобильные фирмы активно работают над решением этой проблемы и пытаются создать экологически чистый автомобиль, или хотя бы уменьшить вред, причиняемый выхлопными газами ДВС. Однако, все эти попытки оказываются малоэффективными. Между тем, использование парового двигателя на современных автомобилях, в современной его интерпретации, позволило бы решить проблему экологии в полном объеме и в относительно короткие сроки.

Еще в восьмидесятых годах прошлого столетия, в одном из выпусков журнала «Техника Молодежи», была опубликована статья «Снова пар», в которой также рассматривалась перспектива использования парового двигателя на автомобильном транспорте. В этой статье упоминалось о немецком изобретателе, который переделал свой «Фольксваген Жук», установив на него паровой двигатель.

Получился уникальный автомобиль с изумительными техническими характеристиками. Вместо традиционного, громоздкого парового котла, изобретатель установил компактное устройство, по конструкции напоминающее автомобильный радиатор. Бензиновый двигатель «Фольксвагена» был переделан, некоторые детали были усилены. Для получения пара использовались жидкостные топливные форсунки. Зажигание осуществлялось при помощи запальных свечей. На прогревание и достижение рабочего давления пара — 70 атмосфер, уходило 5-7 минут. Мощность двигателя была 40 л.с., стала 240 л.с. Автомобиль мог так плавно трогаться с места, что невозможно было определить момент начала движения, а мог так резко «Рвануть», что не выдерживала резина на колесах. На полном переднем ходу, водитель мог легко переключить рычаг подачи пара на полный задний ход. Профессиональный водитель-испытатель новых автомобилей, проехав на паровом «Фольксвагене», написал восторженный отзыв, в котором утверждал, что многим автомобилям давал характеристику; плавный ход, бесшумный, приемистый и так далее, но только проехав на паровом автомобиле, по настоящему оценил эти качества.

Примеров создания самодельных паровых автомобилей народными умельцами можно привести не так уж много, но и сегодня еще есть приверженцы уникального, по своим свойствам, парового автомобиля, и автор этой статьи один из них. Что же привлекает нас в забытом всеми паровом двигателе? Прежде всего, его предельная простота и надежность. Один англичанин 40 лет проездил на паровом автомобиле и, за все это время, ни разу не заглядывал в двигатель. Кто из современных водителей может похвастать тем же? Кроме того, и это очень важно сегодня, паровой двигатель может работать практически на любом, самом дешевом топливе и, при этом не вредит окружающей среде, поскольку топливо сгорает в специальной топке, сгорает полностью, и нет никаких вредных отходов. Почему выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания вредны для окружающей среды? Потому что топливо не сгорает полностью и вместе с газами в воздух выбрасываются остатки топлива, в распыленном, аэрозольном состоянии. Эти, жирные микро- частички нефти, оседают на легких людей и всего живого, на дорожном покрытии, на растениях. на домах, и на всем вокруг, покрывая плотной, маслянистой пленкой, которая и губит все живое.

В свое время от паровых двигателей отказались, в пользу двигателя внутреннего сгорания потому, что при всех своих недостатках, ДВС был гораздо компактнее, а это имело очень важное значение, и именно для автомобильного транспорта, ведь паровозы еще долго использовались на железных дорогах, да и пароходы тоже. Всему виной были громоздкие паровые котлы.

Современные технологии позволяют легко устранить былые недостатки парового двигателя и создать компактный, экономичный, простой и надежный двигатель, который вполне может заменить сложный и дорогой двигатель внутреннего сгорания. Так например, бывший паровой котел, вполне возможно заменить компактным теплообменником, размером с автомобильный радиатор. В качестве топлива можно использовать низкосортные виды жидкого топлива, или газ. Все мы знаем, что паровозы издают довольно громкое «пыхтенье», во время движения, сопровождающееся выбросом клубов горячего пара. Этот недостаток также легко устраним. Отработанный пар полезно направить на подогрев запаса воды, в емкости для воды, что позволит значительно экономить расход топлива, а заодно и выровнять пульсацию пара, обеспечив более равномерный выход струи, что значительно снизит шум.

Паровой машиной называется тепловой двигатель, в котором по­тенциальная энергия расширяющегося пара преобразуется в меха­ническую энергию, отдаваемую потребителю.

С принципом действия машины ознакомимся, воспользовавшись упрощенной схемой фиг. 1.

Внутри цилиндра 2 находится поршень 10, который может пере­мещаться вперед и назад под давлением пара; в цилиндре имеются четыре канала, которые могут открываться и закрываться. Два верх­них пароподводящих канала 1 и 3 соединены трубопроводом с паро­вым котлом, и через них в цилиндр может поступать свежий пар. Через два нижних капала 9 и 11 пар, уже совершивший работу, выпускается из цилиндра.

На схеме показан момент, когда каналы 1 и 9 открыты, каналы 3 и 11 закрыты. Поэтому свежий пар из котла по каналу 1 поступает в левую полость цилиндра и своим давлением перемещает поршень вправо; в это время отработавший пар по каналу 9 из правой полости цилиндра удаляется. При крайнем правом положении поршня каналы 1 и 9 закрыты, а 3 для впуска свежего пара и 11 для выпуска отработавшего пара открыты, вследствие чего поршень переместится влево. При крайнем левом положении поршня открываются каналы 1 и 9 и закрываются каналы 3 и 11 и процесс повторяется. Таким образом, создается прямолинейное возвратно-поступательное движе­ние поршня.

Для преобразования этого движения во вращательное приме­няется так называемый кривошипно-шатунный механизм. Он состоит из поршневого штока- 4, соединенного одним концом с поршнем, а другим шарнирно, посредством ползуна (крейцкопфа) 5, скользящего между направляющими параллелями, с шатуном 6, который передает движение, на коренной вал 7 через его колено или кривошип 8.

Величина вращающего момента на коренном валу не является постоянной. В самом деле, силу Р , направленную вдоль штока (фиг. 2), можно разложить на две составляющие: К , направленную вдоль шатуна, и N , перпендикулярную к плоскости направляющих параллелей. Сила N не оказывает никакого влияния на движение, а только прижимает ползун к направляющим параллелям. Сила К передается вдоль шатуна и действует на кривошип. Здесь ее опять можно разложить на две составляющие: силу Z , направленную по радиусу кривошипа и прижимающую вал к подшипникам, и силу Т , перпендикулярную к кривошипу и вызывающую вращение вала. Величина силы Т определится из рассмотрения треугольника AKZ. Так как угол ZAK = ? + ?, то

Т = К sin (? + ?).

Но из треугольника ОКР сила

K= P/ cos ?

поэтому

T= Psin ( ? + ?) / cos ? ,

При работе машины за один оборот вала углы ? и ? и сила Р непрерывно меняются, а поэтому величина крутящей (тангенциаль­ной) силы Т также переменна. Чтобы создать равномерное вращение коренного вала в течение одного оборота, на него насаживают тяжелое колесо-маховик, за счет инерции которого поддерживается постоян­ная угловая скорость вращения вала. В те моменты, когда сила Т возрастает, она не может сразу же увеличить скорость вращения вала, пока не ускорится движение маховика, чего не происходит мгновенно, так как маховик обладает большой массой. В те моменты, когда работа, производимая крутящей силой Т , становится меньше работы сил сопротивления, создаваемых потребителем, маховик опять-таки в силу своей инерции не может сразу уменьшить свою ско­рость и, отдавая полученную при своем разгоне энергию, помогает поршню преодолевать нагрузку.

При крайних положениях поршня углы? + ? = 0, поэтому sin (? + ?) =0 и, следовательно, Т = 0. Так как вращающее уси­лие в этих положениях отсутствует, то, если машина была бы без маховика, сна должна была бы остановиться. Эти крайние положения поршня называются мертвыми положениями или мертвыми точками. Через них кривошип переходит также за счет инерции маховика.

При мертвых положениях поршень не доводится до соприкоснове­ния с крышками цилиндра, между поршнем и крышкой остается так называемое вредное пространство. В объем вредного прост­ранства включается также объем паровых каналов от органов парорас­пределения до цилиндра.

Ходом поршня S называется путь, проходимый поршнем при перемещении из одного крайнего положения в другое. Если расстояние от центра коренного вала до центра пальца кривошипа - радиус кривошипа - обозначить через R, то S = 2R.

Рабочим объемом цилиндра V h называется объем, описываемый поршнем.

Обычно паровые машины бывают двойного (двухстороннего) действия (см. фиг. 1). Иногда применяются машины односторон­него действия, в которых пар оказывает давление на поршень только со стороны крышки; другая сторона цилиндра в таких маши­нах остается открытой.

В зависимости от давления, с которым пар покидает цилиндр, машины разделяются на выхлопны е, если пар выходит в атмо­сферу, конденсационные, если пар выходит в конденсатор (холодильник, где поддерживается пониженное давление), и тепло фикационные, у которых отработавший в машине пар исполь­зуется для каких-либо целей (отопление, сушка и пр.)

Впервые инфа об этом движке появилась на сайтах научных новинок мира лет 15 назад. Прикольный внешний вид, но… А что, собственно, революционого? Принцип преобразования движения поршней во вращательное, эквивалентен стандартному плунжерному гидромотору, в котором несколько поршней вызывают проворот диска со скошенным торцом. А примененный для парораспределения вращающийся золотник, тоже широко используется в пневматике, и конструктивно уступает классическому коробчатому золотнику паровых машин. В этом герметичность падает по мере износа, а в коробчатом — нет.
Какие еще плюсы у этой системы остаются? Кусок гибкого троса ограничивает реальную мощность этого привода на уровне десятков ватт, или долей грамма на метр, если по крутящему моменту брать.

А что касается моторчиков — «утилизаторов» остаточного тепла, остающегося в выхлопе, охлаждающей жидкости и прочих «продуктов жизнедеятельности» более мощных тепловых машин, то тут Стирлинг вне конкуренции. С.к. способен работать на температурных перепадах меньше 100 градусов.
Ну и заявка на инновационную компактность — тоже под вопросом. Паровая машинка классической схемы и равного рабочего объема, будет иметь примерно те же габариты, что и гриновская.

Есть очень интересные паровые двигатели, которые можно ставить на автомобили и они имеют высокий КПД. Эти паровые машины развивают весьма высокую мощность двигателя на дешевом топливе: торф, уголь, дрова-пеллеты. Такой паровой двигатель можно установить на автомобиль - и у вас будет свой паровой авто на дровах. А можно получать дешевую электроэнергию.

В последние годы в моделировании выделилось новое направление. Его идеологом стал аниматор И-Вей Хуан, которому очевидно понравилась идея оживлять мультяшных персонажей без помощи компьютерной графики. Вся изюминка заключается в том, что в своих «игрушках» он использует не аккумуляторные батареи, а миниатюрные паровые двигатели, которые делает своими руками. Свое вдохновение И-Вей черпает в направлении научной фантастики носящем название «стимпанк», или «паропанк» . «Стимпанк» это развившаяся начале дявяностых альтернатива «киберпанку», характеризующемуся тотальной компьютеризацией.

В свою очередь в основе стимпанка лежит история викторианской Англии с её огромными громыхающими и ухающими машинами, копотью и мощью. Стимпанковые мотивы появляются в самых разнообразных произведениях современного искусства и в том, что они пришли в моделирование, нет ничего удивительного. Теперь персонажи мультфильмов обретут новую жизнь, пускай и в игрушечном масштабе. Первую «игрушку» И-Вей собрал в 2005м году. С тех пор он собирает своими руками в среднем по одному механизму в месяц. Большая часть этого времени уходит на то, чтобы придать оснащенным громоздкими баками и паровыми котлами моделям изящность. Вот где, как нельзя кстати, пришелся его аниматорский талант.

Лишним подтверждением которого стали сразу несколько призовых мест на фестивале «RoboGames-2006». Каким бы это кощунством не показалось для русской души, работают детища И-Вея на спирту. И хотя это не единственный вариант, именно такое топливо он считает оптимальным для своих роботов. В зависимости от модели время их работы колеблется в диапазоне от пяти минут до получаса.

Впрочем, от аккумуляторов он еще полностью не отказался, правда их энергия расходуется исключительно на организацию системы радиоуправления. Вот только вряд ли его игрушки в скором времени появятся на прилавках магазинов, ведь их содержание подразумевает особые требования к технике безопасности, которые должны быть адекватны механизмам, работающим на спирту и под достаточно высоким давлением.

КПД парового двигателя

Дрова - прошлый век. Интерсно, эта ветка находится в разделе моделизм, а обсуждаются уникальные конструкции для реального использования. Мне кажется паромобиль на этом принципе очень интересен. На даче например ставится уазик-буханка, внутри у нее термоизолированный бак с паром в 250 градусов, на крыше трубки под стеклом, соединенные с этим баком греются солнцем. В течении недели стоит просто на солнце, в выходные приехал и можешь проехать километром 10. Что думаете, насколько сравнимо со вариантом солнечные батареи + аккумулятор?

Основанная в 1890 году в городе Гамбурге как морская инжиниринговая компания, Spilling выстраивала свой бизнес всегда на инновационной базе и, в настоящее время является мировым брэндом по производству и поставке модульных агрегатов, единичной мощностью 100 - 5000 кВт для эффективного использования в децентрализованных системах энергоснабжения. Наиболее уникальным продуктом этой фирмы являются паровые двигатели.

Паровые двигатели Spilling единственные в своем роде агрегаты в мире!

Паровой двигатель сочетает в себе преимущества термодинамических характеристик поршневой паровой машины и с конструктивных особенностей современных дизельных двигателей. Его уникальная конструкция обеспечивает высокую надежность при использовании качестве привода электрического генератора также и при переменной электрической нагрузке и изменении расхода пара.

Преимущество данного источника энергии для компактных локальных энергосистем по сравнению с вариантом с паровой турбиной заключается в простоте эксплуатации и дешевизне парового двигателя. Это делает его идеальным для использования на паровых котельных малой и средней мощности, в том числе:

• Электростанции, производящие электроэнергию из биотоплива, мощность от 2 МВт в пересчете на топливо
• Агрегаты для использования отработаного пара с расходом от 2,5 т/ч
• Установки для сжигания отходов.

Паровой двигатель Spilling является оптимальным в сочетании с паровыми котлами насыщенного пара, а также парогенераторами среднего давления. При этом модульный принцип конструкции поршневого двигателя обеспечивает гибкость при модернизации котельной для широкого диапазона требований заказчика.

Это особенно актуально при реконструкции паровых котельных с целью повышения ее экономичности и производства собственной электроэнергии.

В энергетических установках малой и средней мощности, которые очень часто называют мини-ТЭЦ, SPILLING как двигатель для привода электрогенератора или технологического оборудования по сравнению с паровой турбиной при соизмеримых мощностях и параметрах пара характеризуется следующими положительными качествами:

• широким динамическим диапазоном регулирования мощности;
• практической нечувствительностью к качеству пара;
• возможностью прямого привода электрогенератора или технологического оборудования без промежуточных механических передач;
• высокой эксплуатационной надежностью и потребностью в наличии минимально необходимой технической инфраструктуры для обслуживания;
• системой смазки, исключающей попадание масла в пар.

Паровой двигатель SPILLING поставляется с электрогенератором как готовый к работе блок, включая автоматическую панель системы управления с программной логикой и панелью оператора.

Технические данные паровых двигателей

Команда энтузиастов, именующая себя British Steam Car Challenge, в которую входят гонщики, энтузиасты, и просто любители, уже который год строит автомобиль Вдохновение, чтобы побить рекорд скорости для автомобилей с паровым двигателем. Рекорд скорости для паровых автомобилей держится с 1906 года. Тогда в США гонщик Фред Марриот достиг скорости 205,44 километра в час на паровом автомобиле, построенном братьями Стэнли.

Теперь же, возможно, рекорд будет побит, поскольку автомобиль проходит последнюю программу динамических испытаний, запланированную на конец марта 2009 года, на территории Министерства обороны возле Chichester, Западного Суссекса. Это будет последнее тестирование автомобиля в Великобритании перед транспортировкой его в США, для попытки установления мирового рекорда скорости наземного автомобиля с паровым двигателем.

В свое время перед главным конструктором команды Глайнном Боушером стояла сложная задача, ведь добиться от парового двигателя высокой мощности при малых размерах и весе установки непросто. Планировалось, что паровая установка Боушера будет развивать до 300 лошадиных сил на валу при оборотах турбины 12 тысяч в минуту, и к тому же поместится в узкий и низкий кузов Вдохновения. Длина его, кстати, составляет 5.25 метра; ширина — 1.7 метра; высота — 1.1 метра.

В качестве топлива служит сжиженный пропан. Четыре парогенератора расположены за спиной водителя. В каждом парогенератор по 28 тонких горизонтальных трубок из жаропрочной нержавеющей стали. Именно они занимают основной объём внутри автомобиля, и поставляют паровой машине около 10 килограммов пара в минуту. Давление и температура пара составляют около 40 атмосфер и свыше 380 градусов Цельсия. Каждым парогенератором можно управлять отдельно, что повышает надёжность системы. Пар направляется через четыре сопла на двухступенчатую паровую турбину, которая через понижающую передачу вращает задние колёса машины. Диаметр турбины — 33 сантиметра.

Инженеры рассчитывают, что автомобиль сможет разогнаться до 320 километров в час, но если принять во внимание и низкий коэффициент обтекаемости кузова — всего 0.2, то скорость может быть и выше.

Главное и очень ценное на сегодня преимущество паровых машин — это низкое содержание диоксида углерода и оксидов азота в выхлопе паровых машин, особенно, если они используют газ, как Inspiration.

Британские энтузиасты надеются, что смогут не только побить рекорд скорости для автомобилей с паровым двигателем, но и привлекут внимание общества к экологической чистоте паровых автомобилей.

Источники: steampunker.ru, diy.infcat.ru, www.chipmaker.ru, www.hansaenergo.ru, techvesti.ru

Нераскрытые Тайны

Масоны, кто они?

Кто продал Аляску?

Бог Кецалькоатль - пернатый змей. Храм Кецалькоатля

7 Чудес света современного мира

Пожалуй нет такого человека, который бы никогда не слышал о Египетских пирамидах, Колоссе Родосском, Висячих садах Вавилона или храме Артемиды в...

Правительственное метро в Москве

Голландский архитектор Рейнир де Грааф предложил рассекретить предположительно существующую ветку правительственного Метро-2. По замыслу архитектора, поскольку эта линия не связана...

Тайна дельфинов. Программа “Галилей”

Каково же было изумление ученых, когда чувствительные радиодетекторы космической станции уловили движение подо льдом спутника Юпитера. При этом звуковые приборы...

Промышленный термоядерный реактор

Скромная канадская компания General Fusion приступила к созданию первого в мире коммерческого термоядерного реактора, испытательный запуск которого планирует осуществить в...

Гормоны человека

Понятие «гормоны» в настоящее время стало объектом пристального внимания исследователей. Постоянно появляются новости о значении какого-то из них в...

Святой Грааль

Святой Грааль — загадочный христианский артефакт, обретённый и утерянный. Слова «Святой Грааль» часто используются в переносном смысле как обозначение какой-либо...

Ракетный комплекс Авангард - технические характеристики и возможности

Новейший российский ракетный комплекс "Авангард" запущен в массовое производство, начата...

Народные приметы о жемчуге

В первую очередь, жемчуг является невероятно красивым камнем, который был...

Как сделать мореный дуб в домашних условиях

Мореный дуб – прекрасный строительный материал. Его необычный цвет очень...

Хвост у людей

Забавно, но хвост у человека есть. До определенного периода. Известно, ...

Почему не внедряется квантовый двигатель Леонова

В печати периодически появляются заметки о неизвестной разработке Брянского ученого...

Ядерная крылатая ракета Буревестник – характеристики и перспективы

Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях , локомотивах , на паровых судах, тягачах , паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Позднее паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания , паровыми турбинами , электромоторами и атомными реакторами , КПД которых выше.

Паровая машина в действии

Изобретение и развитие

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном из Александрии в первом столетии - это так называемая «баня Герона», или «эолипил». Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Предполагается, что преобразование пара в механическое движение было известно в Египте в период римского владычества и использовалось в несложных приспособлениях.

Первые промышленные двигатели

Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Сейвери в 1698 году . На своё устройство Сейвери в 1698 году получил патент. Это был поршневой паровой насос, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы двигателя иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его «другом рудокопа».

Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель», который был первым паровым двигателем, на который мог быть коммерческий спрос. Это был усовершенствованный паровой двигатель Сейвери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Ньюкомен, возможно, базировался на описании экспериментов Папена, находящихся в Лондонском королевском обществе , к которым он мог иметь доступ через члена общества Роберта Гука , работавшего с Папеном.

Схема работы паровой машины Ньюкомена.
– Пар показан лиловым цветом, вода - синим.
– Открытые клапаны показаны зелёным цветом, закрытые - красным

Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Клапаны ранних двигателей Ньюкомена открывались и закрывались вручную. Первым усовершенствованием было автоматизация действия клапанов, которые приводились в движение самой машиной. Легенда рассказывает, что это усовершенствование было сделано в 1713 году мальчиком Хэмфри Поттером, который должен был открывать и закрывать клапаны; когда это ему надоедало, он связывал рукоятки клапанов верёвками и шёл играть с детьми. К 1715 году уже была создана рычажная система регулирования, приводимая от механизма самого двигателя.

Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.

Хэмфри Гэйнсборо в 1760-ых годах построил модель паровой машины с конденсатором. В 1769 году шотландский механик Джеймс Уатт (возможно, использовав идеи Гейнсборо) запатентовал первые существенные усовершенствования к вакуумному двигателю Ньюкомена, которые сделали его значительно более эффективным по расходу топлива. Вклад Уатта заключался в отделении фазы конденсации вакуумного двигателя в отдельной камере, в то время как поршень и цилиндр имели температуру пара. Уатт добавил к двигателю Ньюкомена ещё несколько важных деталей: поместил внутрь цилиндра поршень для выталкивания пара и преобразовал возвратно-поступательное движения поршня во вращательное движение приводного колеса.

На основе этих патентов Уатт построил паровой двигатель в Бирмингеме . К 1782 году паровой двигатель Уатта оказался более чем в 3 раза производительнее машины Ньюкомена. Повышение эффективности двигателя Уатта привело к использованию энергии пара в промышленности. Кроме того, в отличие от двигателя Ньюкомена, двигатель Уатта позволил передать вращательное движение, в то время как в ранних моделях паровых машин поршень был связан с коромыслом, а не непосредственно с шатуном. Этот двигатель уже имел основные черты современных паровых машин.

Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления (американец Оливер Эванс и англичанин Ричард Тревитик). Р.Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм , или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования.

Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: "fardier à vapeur" (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем . Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход , построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7-8 миль в час . Пароход Дж. Фитча не был коммерчески успешным, поскольку с его маршрутом конкурировала хорошая сухопутная дорога. В 1802 году шотландский инженер Уильям Симингтон построил конкурентоспособный пароход, а в 1807 году американский инженер Роберт Фултон использовал паровой двигатель Уатта для привода первого коммерчески успешного парохода. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив , построенный Ричардом Тревитиком.

Паровые машины с возвратно-поступательным движением

Двигатели с возвратно-поступательным движением используют энергию пара для перемещения поршня в герметичной камере или цилиндре. Возвратно-поступательное действие поршня может быть механически преобразовано в линейное движение поршневых насосов или во вращательное движение для привода вращающихся частей станков или колёс транспортных средств.

Вакуумные машины

Ранние паровые машины назывались вначале «огневыми машинами», а также «атмосферными » или «конденсирующими» двигателями Уатта. Они работали на вакуумном принципе и поэтому известны также как «вакуумные двигатели». Такие машины работали для привода поршневых насосов , во всяком случае, нет никаких свидетельств о том, что они использовались в иных целях. При работе паровой машины вакуумного типа в начале такта пар низкого давления впускается в рабочую камеру или цилиндр. Впускной клапан после этого закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. В двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр, и конденсат сбегает в сборник конденсата. Таким образом создаётся вакуум в цилиндре. Атмосферное давление в верхней части цилиндра давит на поршень, и вызывает его перемещение вниз, то есть рабочий ход.

Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. В году появилась версия паровой машины, созданная Уаттом в сотрудничестве с Мэттью Боултоном, основным нововведением которой стало вынесение процесса конденсации в специальную отдельную камеру (конденсатор). Эта камера помещалась в ванну с холодной водой, и соединялась с цилиндром трубкой, перекрывающейся клапаном. К конденсационной камере была присоединена специальная небольшая вакуумная помпа (прообраз конденсатного насоса), приводимая в движение коромыслом и служащая для удаления конденсата из конденсатора. Образовавшаяся горячая вода подавалась специальным насосом (прообразом питательного насоса) обратно в котёл. Ещё одним радикальным нововведением стало закрытие верхнего конца рабочего цилиндра, в верхней части которого теперь находился пар низкого давления. Этот же пар присутствовал в двойной рубашке цилиндра, поддерживая его постоянную температуру. Во время движения поршня вверх этот пар по специальным трубкам передавался в нижнюю часть цилиндра, для того, чтобы подвергнуться конденсации во время следующего такта. Машина, по сути, перестала быть «атмосферной», и её мощность теперь зависела от разницы давлений между паром низкого давления и тем вакуумом, который удавалось получить. В паровой машине Ньюкомена смазка поршня осуществлялась небольшим количеством налитой на него сверху воды, в машине Уатта это стало невозможным, поскольку в верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку смесью тавота и нефти. Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.

Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничение их эффективности, были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII века . Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора. Максимальный теоретический КПД был ограничен относительно малой разницей температур по обе стороны поршня; это делало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими.

Сжатие

Выпускное окно цилиндра паровой машины перекрывается несколько раньше, чем поршень доходит до своего крайнего положения, что оставляет в цилиндре некоторое количество отработанного пара. Это означает, что в цикле работы присутствует фаза сжатия, формирующая так называемую «паровую подушку» , замедляющую движение поршня в его крайних положениях. Кроме того, это устраняет резкий перепад давления в самом начале фазы впуска, когда в цилиндр поступает свежий пар.

Опережение

Описанный эффект «паровой подушки» усиливается также тем, что впуск свежего пара в цилиндр начинается несколько раньше, чем поршень достигнет крайнего положения, то есть присутствует некоторое опережение впуска. Это опережение необходимо для того, чтобы перед тем, как поршень начнёт свой рабочий ход под действием свежего пара, пар успел бы заполнить то мёртвое пространство, которое возникло в результате предыдущей фазы, то есть каналы впуска-выпуска и неиспользуемый для движения поршня объем цилиндра.

Простое расширение

Простое расширение предполагает, что пар работает только при расширении его в цилиндре, а отработанный пар выпускается напрямую в атмосферу или поступает в специальный конденсатор. Остаточное тепло пара при этом может быть использовано, например, для обогрева помещения или транспортного средства, а также для предварительного подогрева воды, поступающей в котёл.

Компаунд

В процессе расширения в цилиндре машины высокого давления температура пара падает пропорционально его расширению. Поскольку теплового обмена при этом не происходит (адиабатический процесс), получается, что пар поступает в цилиндр с большей температурой, чем выходит из него. Подобные перепады температуры в цилиндре приводят к снижению эффективности процесса.

Один из методов борьбы с этим перепадом температур был предложен в 1804 году английским инженером Артуром Вульфом, который запатентовал Компаундную паровую машину высокого давления Вульфа . В этой машине высокотемпературный пар из парового котла поступал в цилиндр высокого давления, а после этого отработанный в нем пар с более низкой температурой и давлением поступал в цилиндр (или цилиндры) низкого давления. Это уменьшало перепад температуры в каждом цилиндре, что в целом снижало температурные потери и улучшало общий коэффициент полезного действия паровой машины. Пар низкого давления имел больший объём, и поэтому требовал большего объёма цилиндра. Поэтому в компаудных машинах цилиндры низкого давления имели больший диаметр (а иногда и большую длину) чем цилиндры высокого давления.

Такая схема также известна под названием «двойное расширение», поскольку расширение пара происходит в две стадии. Иногда один цилиндр высокого давления был связан с двумя цилиндрами низкого давления, что давало три приблизительно одинаковых по размеру цилиндра. Такую схему было легче сбалансировать.

Двухцилиндровые компаундные машины могут быть классифицированы как:

• Перекрёстный компаунд - Цилиндры расположены рядом, их паропроводящие каналы перекрещены.
• Тандемный компаунд - Цилиндры располагаются последовательно, и используют один шток.
• Угловой компаунд - Цилиндры расположены под углом друг к другу, обычно 90 градусов, и работают на один кривошип.

После 1880-х годов компаундные паровые машины получили широкое распространение на производстве и транспорте и стали практически единственным типом, используемым на пароходах. Использование их на паровозах не получило такого широкого распространения, поскольку они оказались слишком сложными, частично из-за того, что сложными были условия работы паровых машин на железнодорожном транспорте . Несмотря на то, что компаундные паровозы так и не стали массовым явлением (особенно в Великобритании, где они были очень мало распространены и вообще не использовались после 1930-х годов), они получили определённую популярность в нескольких странах.

Множественное расширение

Упрощённая схема паровой машины с тройным расширением.
Пар высокого давления (красный цвет) от котла проходит через машину, выходя в конденсатор при низком давлении (голубой цвет).

Логичным развитием схемы компаунда стало добавление в неё дополнительных стадий расширения, что увеличивало эффективность работы. Результатом стала схема множественного расширения, известная как машины тройного или даже четверного расширения. Такие паровые машины использовали серии цилиндров двойного действия, объем которых увеличивался с каждой стадией. Иногда вместо увеличения объёма цилиндров низкого давления использовалось увеличение их количества, так же, как и на некоторых компаундных машинах.

Изображение справа показывает работу паровой машины с тройным расширением. Пар проходит через машину слева направо. Блок клапанов каждого цилиндра расположен слева от соответствующего цилиндра.

Появление этого типа паровых машин стало особенно актуальным для флота, поскольку требования к размеру и весу для судовых машин были не очень жёсткими, а главное, такая схема позволяла легко использовать конденсатор, возвращающий отработанный пар в виде пресной воды обратно в котёл (использовать солёную морскую воду для питания котлов было невозможно). Наземные паровые машины обычно не испытывали проблем с питанием водой и потому могли выбрасывать отработанный пар в атмосферу. Поэтому такая схема для них была менее актуальной, особенно с учётом её сложности, размера и веса. Доминирование паровых машин множественного расширения закончилось только с появлением и широким распространением паровых турбин. Однако в современных паровых турбинах используется тот же принцип разделения потока на цилиндры высокого, среднего и низкого давления.

Прямоточные паровые машины

Прямоточные паровые машины возникли в результате попытки преодолеть один недостаток, свойственный паровым машинам с традиционным парораспределением. Дело в том, что пар в обычной паровой машине постоянно меняет направление своего движения, поскольку и для впуска и для выпуска пара применяется одно и то же окно с каждой стороны цилиндра. Когда отработанный пар покидает цилиндр, он охлаждает его стенки и парораспределительные каналы. Свежий пар, соответственно, тратит определённую часть энергии на их нагревание, что приводит к падению эффективности. Прямоточные паровые машины имеют дополнительное окно, которое открывается поршнем в конце каждой фазы, и через которое пар покидает цилиндр. Это повышает эффективность машины, поскольку пар движется в одном направлении, и температурный градиент стенок цилиндра остается более или менее постоянным. Прямоточные машины одинарного расширения показывают примерно такую же эффективность, как компаундные машины с обычным парораспределением. Кроме того, они могут работать на более высоких оборотах, и потому до появления паровых турбин часто применялись для привода электрогенераторов, требующих высокой скорости вращения.

Прямоточные паровые машины бывают как одинарного, так и двойного действия.

Паровые турбины

Паровая турбина представляет собой серию вращающихся дисков, закрепленных на единой оси, называемых ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закрепленных на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в нее подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии . Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения).

Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания.

Другие типы паровых двигателей

Применение

Паровые машины могут быть классифицированы по их применению следующим образом:

Стационарные машины

Паровой молот

Паровая машина на старой сахарной фабрике, Куба

Стационарные паровые машины могут быть разделены на два типа по режиму использования:

• Машины с переменным режимом, к которым относятся машины металлопрокатных станов , паровые лебёдки и подобные устройства, которые должны часто останавливаться и менять направление вращения.
• Силовые машины, которые редко останавливаются и не должны менять направление вращения. Они включают энергетические двигатели на электростанциях , а также промышленные двигатели, использовавшиеся на заводах, фабриках и на кабельных железных дорогах до широкого распространения электрической тяги. Двигатели малой мощности используются на судовых моделях и в специальных устройствах.

Паровая лебёдка в сущности является стационарным двигателем, но установлена на опорной раме, чтобы её можно было перемещать. Она может быть закреплена тросом за якорь и передвинута собственной тягой на новое место.

Транспортные машины

Паровые машины использовались для привода различных типов транспортных средств, среди них:

• Сухопутные транспортные средства:
  • Паровой автомобиль
  • Паровой трактор
  • Паровой экскаватор, и даже
• Паровой самолёт.

В России первый действующий паровоз был построен Е. А. и М. Е. Черепановыми на Нижне-Тагильском заводе в 1834 году для перевозки руды. Он развивал скорость 13 вёрст в час и перевозил более 200 пудов (3,2 тонны) груза. Длина первой железной дороги составляла 850 м.

Преимущества паровых машин

Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового Океана на разных глубинах.

Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга , которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.

Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов.

В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) -х годов, со множеством современных усовершенствований, таких, как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т.д. В результате такие паровозы имеют на 60% меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами.

Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса.

Коэффициент полезного действия

Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл) от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более.

Главная » Трансмисия, сцепление » Паровой двигатель своими руками. Современный паровой двигатель Паровой двигатель 3