Паровые машины

Двойное действие

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

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

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

Коленчатый вал

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

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

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

Компаунды

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

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

Прямоточные двигатели

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

Турбины

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

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

Высокая скорость, большая энергия

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

Другое по теме

Рефракторы XIX столетия
Потребовалось около века, чтобы убедиться в ошибочности утверждения Ньютона о том, что создать ахроматический объектив невозможно. В 1729 г. был изготовлен объектив из двух линз разного стекла, позволивший уменьшить хроматическую аберрацию. А в 1747 г. великий математик Леонард Эйлер рассчитал объектив, состоящий из двух ст ...

Нанотехнологии, наноматериалы, наноустройства
Краткая справка об авторе: профессор факультета вычислительной математики и кибернетики Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова, ведущий научный сотрудник Института прикладной математики им. М.В.Келдыша РАН. Если уж стальной кубик или кристаллик соли, сложенный из одинаковых атомов, может обнаруж ...