Размещено на http://www.allbest.ru/

ПАРОВА МАШИНА

Парова машина -- тепловий поршневий двигун, в якому потенційна енергія водяної пари, що поступає з парового казана, перетворюється в механічну роботу зворотно-поступального руху поршня або обертального руху валу.

Принцип дії

Поршень утворює в циліндрі парової машини одну або дві порожнини змінного об'єму, в яких здійснюються процеси стискування і розширення. Принцип дії парової машини показаний на Рис. 2 і 3.

парова машина поршневий двигун

Рис. 1. Робота парової машини подвійної дії

Рис. 2 Схема парової машини

Робота поршня 1 за допомогою штока 2, повзуна 3, шатуна 4 і кривошипа 5 передається головному валу 6, що несе маховик 7, який служить для зниження нерівномірності обертання валу. Ексцентрик, що сидить на головному валу, за допомогою ексцентрикової тяги приводить в рух золотник 8, керівник впусканням пари в порожнині циліндра. Пара з циліндра випускається в атмосферу або поступає в конденсатор. Для підтримки постійного числа оборотів валу при навантаженні, що змінюється, парові машини забезпечуються відцентровим регулювальником 9, що автоматично змінює перетин проходу пари, що поступає в парову машину (дросельне регулювання, показано на рисунку), або момент відсічення наповнення (кількісне регулювання).

Класифікація

· За призначенням:

o стаціонарні;

o нестаціонарні (пересувні і транспортні).

· За паром, що використовується:

o низького тиску (до 12 кг/см²);

o середнього тиску (до 60 кг/см²);

o високого тиску (понад 60 кг/см²).

· за числом оборотів валу:

o тихохідні (до 50 об /хв. , як на колісних пароплавах);

o швидкохідні.

· за тиском пари, що випускається:

o конденсаційні (тиск в конденсаторі 0,1-0,2 ата);

o вихлопні (з тиском 1,1-1,2 ата);

o теплофікаційні з відбором пари на нагрівальні цілі або для парових турбін тиском від 1,2 ата до 60 ата залежно від призначення відбору (опалювання, регенерація, технологічні процеси, спрацьовування високих перепадів в передвключених парових турбінах).

· За розташуванням циліндрів:

o горизонтальні;

o похилі;

o вертикальні.

· За числом циліндрів:

o одноциліндрові;

o багатоциліндрові

§ здвоєні, строєні і т. д.;

§ парові машини багатократного розширення, в яких пар послідовно розширюється в 2, 3, 4 циліндрах зростаючого об'єму, переходячи з циліндра в циліндр через т.з. ресівери (колектори).

За типом передавального механізму парові машини багатократного розширення діляться на тандем-машини і компаунд-машини. Особливу групу складають прямоточні парові машини, в яких випуск пари з порожнини циліндра здійснюється кромкою поршня.

Історія винаходу

Парова машина була винайдена в XVIII столітті, коли основний недолік гідросилових установок (залежність від місцевих умов), що мало позначався при обертанні жорен зернових млинів, почав сильно перешкоджати розвитку металургійних підприємств, головним чином через неможливість застосувати водяні колеса для відкачування води з копалень, віддалених від джерел водної енергії. Можливість перевезення палива зробила тепловий двигун незалежним від місце розташування джерела енергії і дозволила вирішувати задачу копальневого водовідливу, внаслідок чого на копальнях з'явилися теплосилові установки.

Вирішуючи задачу водопідйому, винахідники (Д. Папен у Франції, Т. Ньюкомен і Т. Севері в Англії і ін.) поступово знайшли конструктивні форми для здійснення безперервного робочого процесу парової машини: окремий паровий казан, циліндр, топковий пристрій, крани і ін. Проте це все ще були насосні установки, які могли направляти роботу циклу тільки на підйом води і були не в змозі задовольнити потреби в двигунах для заводських машин (повітродувного хутра, рудодробильных товкачів, ковальських молотів, лісопильних рам і ін.). Так виник перехідний період (1700--1780) в енергетиці, коли водяне колесо почало обмежувати розвиток техніки унаслідок залежності від місцезнаходження джерела водної енергії; паровий двигун, хоча і був вільний від місцевих умов, був освоєний тільки для підйому води.

Потреби заводів привели до створення комбінованих установок, в яких паровий насос піднімав воду на водяне колесо, що приводило в рух заводські машини. Такі установки не вирішували завдання щодо заводського двигуна, оскільки втрачали в своїй гідравлічній частці понад 2/3 роботи, що отримується від парового циклу. Завдання могло бути вирішене тільки шляхом заміни гідравлічної передачі роботи механічною, дослідженням передавального механізму, здатного віддавати паровим циклом роботу періодично передавати споживачеві безперервно, в будь-якій необхідній формі руху. Простий передавальний механізм у формі балансира проіснував ціле століття, оскільки дозволив при низькому тиску пари піднімати воду на велику висоту за рахунок різниці площ перетину парового і водяних циліндрів, але не вирішував головного завдання заводського двигуна -- здатності віддавати роботу безперервно.

Застосування двох циліндрів з послідовною віддачею роботи їх порожнин на загальний вал було вперше запропоноване І. І. Ползуновим в 1763, проте із-за смерті винахідника проект не був завершений, і машина була розібрана після декількох пробних пусків.

У 80-х рр. XVIII століття потреба в універсальному двигуні стала виключно гострою у зв'язку з розвитком першого етапу промислового перевороту -- впровадженням у виробництво прядильних і ткацьких машин. Ці нові машини, що давали можливість одночасної дії багатьох знарядь, визначили в останній чверті 18 ст. період завершення першого етапу в розвитку парових машин. Завдання набуло конкретної форми: необхідно було перетворити парову насосну установку на двигун з обертальним рухом валу. Рішення цієї задачі знайшло своє віддзеркалення в патентах різних країн на парові машини в 80-х рр. XVIII ст. Найбільшого поширення набула парова машина Джеймса Уатта (Англія), як найбільш економічна унаслідок відділення конденсатора від циліндра. З 1800 розвиток парової машини і її впровадження в промисловості і на транспорті йде зростаючими темпами. До середини XIX століття сумарна потужність паровозів перевершує потужність фабричних установок. У 2-ій половині XIX століття потужність суднових установок також стає вищою за потужність стаціонарних, а до кінця століття стає найбільшій складовій в загальному балансі встановленої потужності, що досягла 120 млн. к. с.

Промислова революція -- перехід від мануфактурного ручного виробництва до машинного -- отримала своє завершення із створенням універсального двигуна. Протягом майже всього 19 ст. парова машина визначала рівень енергетики машинного виробництва і транспорту, темпи і напрям їх розвитку. Парова машина збільшувала потребу в кам'яному вугіллі і задовольняла цю потребу, оскільки вона піднімала вугілля з шахт, вентилювала їх, відкачувала з них воду. Парова машина збільшувала потребу в металі і задовольняла її, оскільки вона нагнітала повітря в доменній печі, проковувала деталі машин, обертаючи вали прокатних станів. Парова машина пред'явила нові вимоги до технології металообробки і задовольняла їх, приводячи в рух металообробні верстати, сприяючи становленню і розвитку машинобудування -- виробництва машин, що роблять машини.

У своєму розвитку парова машина сприяла появі нових галузей знань. Створена на основі виробничого досвіду, парова машина поставила перед ученими ряд питань, вирішення яких створило нову науку -- технічну термодинаміку.

На початок XX ст. парова машина досягла високого ступеня досконалості. За сто років розвитку потужність парової машини підвищилася від 5-10 к. с. до 20000 к. с., економічність -- від 0,3 % до 20 %, тиск пари, що впускається, -- від 0,1 ата до 120 ата, температура пари -- від 100° до 400°, число обертів на хвилину -- від 20-30 до 1000 об/хв; питома вага знизилася від сотень до 1-2 кг/к. с.; займана площа зменшилася від декількох квадратних метрів до їх сотих доль на 1 к. с. Витрати пари для парової машини високого тиску з багатократним розширенням складають 2,62 кг/л. з.-час. ККД досяг 20-25 %.

На основі досвіду, придбаного у виробництві парових машин, був створений новий поршневий двигун -- двигун внутрішнього згорання, в якому згорання відбувається безпосередньо в циліндрі двигуна, тобто в порівнянні з власне паровою машиною усунена одна проміжна ланка (пара, як проміжне робоче тіло, і парокотельный агрегат, як генератор пари). Завдяки малій питомій вазі (тобто відношенню ваги до потужності) двигун внутрішнього згорання набув широкого поширення на транспорті. Розвиток парових машин привів і до створення іншого парового двигуна -- парової турбіни, в якій видозмінений характер використання пари, що виробляється котельним агрегатом, і замість пульсуючого руху поршня і кривошипно-шатунового механізму використовується безперервний перебіг пари через проточну частку двигуна, тобто в порівнянні з власне паровою машиною усунена ланка поршень-кривошипно-шатунний механізм, що дозволило сконцентрувати великі потужності в одному агрегаті. Парова турбіна виявилася найбільш доцільною формою приводу для потужних електрогенераторів, що вимагають рівномірного обертання.

Сфери застосування

Аж до середини XX ст. парові машини широко застосовувалися в тих сферах, де їх позитивні якості (велика надійність, можливість роботи з великими коливаннями навантаження, можливість тривалих перевантажень, довговічність, невисокі експлуатаційні витрати, простота обслуговування і легкість реверсування) робили застосування парової машини доцільнішим, ніж застосування інших двигунів, не дивлячись на її недоліки, витікаючи головним чином з наявності кривошипно-шатунового механізму. До таких областей відносяться: залізничний транспорт; водний транспорт, де парова машина ділила своє застосування з двигунами внутрішнього згорання і паровими турбінами; промислові підприємства з силовим і тепловим споживанням: цукрові заводи, сірникові, текстильні, паперові фабрики, окремі харчові підприємства. Характер теплового споживання цих підприємств визначав теплову схему установки і відповідного нею типа парової машини теплофікації: з кінцевим або проміжним відбором пари. Установки теплофікацій дають можливість зменшувати на 5-20 % витрата палива в порівнянні з роздільними установками, що складаються з конденсаційних парових машин і окремих котельних, що проводять пару на технологічні процеси і опалювання. Проведені в СРСР дослідження показали доцільність переведення роздільних установок на теплофікації шляхом введення регульованого відбору пари з ресівера парової машини подвійного розширення. Можливість роботи на будь-яких видах палива робила доцільним застосування парових машин для роботи на відходах виробництва і сільського господарства: на лісозаводах, в локомобільних установках тощо, особливо за наявності теплового споживання, на деревообробних підприємствах, що мають горючі відходи і споживаючих низькопотенційне тепло для цілей сушки лісоматеріалів. Парова машина зручна для застосування в безрейковому транспорті, не вимагає коробки швидкостей, проте вона не набула тут поширення через деякі конструктивні труднощі.

Размещено на Allbest.ru