Первые паровые машины

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
«НОВГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени Ярослава Мудрого»
Кафедра «Промышленная энергетика»
Реферат на тему:
" Первые паровые машины и вытеснение их паровыми турбинами "
по дисциплине "Введение в специальность
Руководитель
___________ Швецов И. В.
«____» _________20
г.
Студент гр. 0412 зу
__________ Гутман А. А.
«____» _________20
г.
2
Содержание
1.Введение
стр. 3
2.Первые паровые машины
стр. 4
3.Паровые машины высокого давления
стр. 7
4.Вытеснение паровых и гидравлических
стр. 8
машин турбинами
5. Список использованной
литературы
стр. 11
3
Введение
Первым
механическим
двигателем,
нашедшим
практическое
применение, была паровая машина. Вначале она предназначалась для
использования в заводском производстве, но позднее паровой двигатель
стали устанавливать на самодвижущихся машинах - паровозах, пароходах,
автомобилях и тракторах. Вплоть до второй половины XVIII века люди
использовали для нужд производства в основном водяные двигатели. Так как
передавать механическое движение от водяного колеса на большие
расстояния невозможно, все фабрики приходилось троить на берегах рек, что
не всегда было удобно. Кроме того,
для эффективной работы такого
двигателя часто требовались дорогостоящие подготовительные работы. Были
у водяных колес и другие недостатки: они имели малую мощность, работа их
зависела от времени года и с трудом подавалась регулировке. Постепенно
стала остро ощущаться нужда в принципиально новом двигателе: мощном,
дешевом, автономном и легкоуправляемом. Именно таким двигателем на
целое столетие стала для человека паровая машина. На рубеже 17 - 18 веков
удалось найти способ производить полезную работу с помощью пара. Пар
приводил в действие насос, качавший воду в резервуар. Вытекая из
резервуара и падая на водяное колесо, вода заставляла его вращаться.
Водяное колесо, в свою очередь, приводило в движение заводские
механизмы и машины. Таким образом, и после изобретения парового насоса
непосредственным двигателем рабочих машин оставалось водяное колесо.
Прошло еще немало времени, прежде чем пытливый человеческий ум создал
надежный двигатель, способный непосредственно приводить в действие
разнообразные машины и механизмы.
Первые паровые машины
Паровая машина Сэйвери.
4
Первая попытка поставить пар на службу человеку была предпринята в
Англии в 1698 году: машина Сэйвери предназначалась для осушения шахт и
перекачивания воды. Сам изобретатель назвал ее "огневой машиной" и
широко разрекламировал как "друга шахтеров". Для получения пара,
приводившего машину в действие, требовался огонь, но изобретение Сэйвери
еще не было двигателем в полном смысле этого слова, поскольку кроме
нескольких клапанов, открывавшихся и закрывавшихся вручную, в нем не
имелось подвижных частей.
Машина Сэйвери работала следующим образом: сначала герметичный
резервуар наполнялся паром, затем внешняя поверхность резервуара
охлаждалась холодной водой, отчего пар конденсировался, и в резервуаре
создавался частичный вакуум. После этого вода - например, со дна шахты засасывалась в резервуар через заборную трубу и после впуска очередной
порции пара выбрасывалась наружу через выпускную. Затем цикл
повторялся, но воду можно было поднимать только с глубины менее 10,36 м,
поскольку в действительности ее выталкивало атмосферное давление.
Паровая машина Дэни Папена.
Первая удачная паровая машина с поршнем была построена французом
Дени Папеном, чье имя чаще ассоциируется с изобретением автоклава,
который имеется сегодня практически в каждом доме в виде кастрюлискороварки. В 1674 году Папен построил пороховой двигатель, принцип
действия которого основывался на воспламенении в цилиндре пороха и
перемещении поршня внутри цилиндра под воздействием пороховых газов.
Когда избыток газов выходил из цилиндра через специальный клапан, а
оставшийся газ охлаждался, в цилиндре создавался частичный вакуум, и
поршень возвращался в исходное положение под действием атмосферного
давления. Машина была не очень удачной, но она навела Папена на мысль
заменить порох водой. И в 1698 году он построил паровую машину (в том же
5
году свою "огненную машину" построил и англичанин Сэйвери). Вода
нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем внутри, и
образовавшийся пар толкал поршень вверх. Когда пар охлаждался и
конденсировался, поршень опускался вниз под действием атмосферного
давления. Таким образом, посредством системы блоков паровая машина
Папена могла приводить в действие различные механизмы, например насосы.
Томас Ньюкомен и его паровая машина.
Услышав о паровой машине Папена, Томас Ньюкомен, который часто
бывал на шахтах в Вест Кантри, где он работал кузнецом, и лучше чем ктонибудь другой понимал, как нужны хорошие насосы для предотвращения
затопления шахт, объединил усилия с водопроводчиком и стекольщиком
Джоном Калли в попытке построить более совершенную модель. Их первая
паровая машина была установлена на угольной шахте в Стаффордшире в
1712 году. Как и в машине Папена, поршень перемещался в вертикальном
цилиндре, но в целом машина Ньюкомена была значительно более
совершенной. Чтобы ликвидировать зазор между цилиндром и поршнем,
Ньюкомен закрепил на торце последнего гибкий кожаный диск и налил на
него немного воды. Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал
поршень вверх. Но при впрыскивании в цилиндр холодной воды, пар
конденсировался, в цилиндре образовывался вакуум, и под воздействием
атмосферного давления поршень опускался вниз. Этот обратный ход удалял
воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом,
двигавшимся наподобие качелей, поднимал вверх шток насоса. Когда
поршень находился в нижней точке своего хода, в цилиндр снова поступал
пар, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса или на
коромысле, поршень поднимался в исходное положение. После этого цикл
повторялся. Машина Ньюкомена оказалась на редкость удачной и
использовалась по всей Европе более 50 лет.
6
Паровая машина Ползунова.
Проект первой в мире паровой машины, способной непосредственно
приводить в действие любые рабочие механизмы, предложил 25 апреля 1763
года русский изобретатель И. И. Ползунов, механик на КолываноВоскресенских горнорудных заводах Алтая. Проект попал на стол к
начальнику заводов, который одобрил его и отослал в Петербург, откуда
вскоре пришел ответ: "...Сей его вымысел за новое изобретение почесть
должно".
Паровая
машина
Ползунова
получила
признание
Рисунок 1-паровая машина Ползунова
Машина Ползунова имела два цилиндра А и В с поршнями а и b,
расположенными, как показано на рисунке 2. Штоки поршней были
соединены цепью, перекинутой через шкив Н. Движение шкива H
передавалось стержням d1 и d2, которые с помощью «ладоней» L1 и L2
передвигали серповидный маятник f. Маятник был соединен зубчатыми
колесами с механизмом, управляющим кранами L и g, которые осуществляли
попеременный пуск пара и холодной воды в цилиндры. Когда, например, в
7
цилиндр В подавался пар и поршень b поднимался, то в цилиндр A
впрыскивалась холодная вода и поршень а опускался. Таким образом,
машина Ползунова работала непрерывно и все действия в ней проходили
автоматически.
Джеймс Уатт. Универсальная паровая машина двойного действия.
Примерно в это же время в Англии над созданием паровой машины
работал шотландец Джеймс Уатт. Начиная с 1763 года он занимался
усовершенствованием
малоэффективной
пароатмосферной
машины
Ньюкомена, которая, в общем-то, годилась только для перекачивания воды.
Ему было ясно, что основной недостаток машины Ньюкомена состоял в
попеременном нагревании и охлаждении цилиндра. Каким же образом
избежать этого? Ответ пришел к Уатту воскресным весенним днем 1765 года.
Он понял, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если до
конденсации отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с
клапаном. Более того, цилиндр может оставаться горячим, а конденсор
холодным, если снаружи их покрыть теплоизоляционным материалом. Кроме
того Уатт сделал еще несколько усовершенствований, окончательно
превративших пароатмосферную машину в паровую. В 1768 году он подал
прошение о патенте на свое изобретение. Патент он получил, но построить
паровую машину ему долго не удавалось. И только в 1776 году паровая
машина Уатта была, наконец, построена и успешно прошла испытание. Она
оказалась вдвое эффективнее машины Ньюкомена. В 1782 году Уатт создал
новую замечательную машину – первую универсальную паровую машину
двойного действия. Крышку цилиндра он оснастил изобретенным незадолго
до того сальником, который обеспечивал свободное движение штока поршня,
но предотвращал утечку пара из цилиндра. Пар поступал в цилиндр
попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Поэтому поршень
совершал и рабочий и обратный ход с помощью пара, чего не было в
прежних машинах. Поскольку в паровой машине двойного действия шток
8
поршня совершал тянущее и толкающее действие, прежнюю приводную
систему из цепей и коромысла, которая реагировала только на тягу,
пришлось переделать. Уатт разработал систему связанных тяг и применил
планетарный механизм для преобразования возвратно- поступательного
движения штока поршня во вращательное движение, использовал тяжелый
маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр
для измерения давления пара. Таким образом, паровая машина Уатта стала
изобретением века, положившим начало промышленной революции.
Паровые машины высокого давления
В паровых машинах пар поступает из котла в рабочую камеру
цилиндра, где расширяется, оказывая давление на поршень и совершая
полезную работу. После этого расширенный пар может выпускаться в
атмосферу или поступать в конденсатор. Важное отличие машин высокого
давления от вакуумных состоит в том, что давление отработанного пара
превышает атмосферное или равно ему, то есть вакуум не создаётся.
Отработанный пар обычно имел давление выше атмосферного и часто
выбрасывался в дымовую трубу, что позволяло увеличить тягу котла.
Важность увеличения давления пара состоит в том, что при этом он
приобретает более высокую температуру. Таким образом, паровая машина
высокого давления работает при большей разнице температур, чем та,
которую можно достичь в вакуумных машинах. После того, как машины
высокого давления заменили вакуумные, они стали основой для дальнейшего
развития и совершенствования всех возвратно-поступательных паровых
машин. Однако то давление, которое считалось в 1800 году высоким (275—
345 кПа), сейчас рассматривается как очень низкое — давление в
современных паровых котлах в десятки раз выше.
Дополнительное преимущество машин высокого давления состоит в
том, что они намного меньше при заданном уровне мощности, и
9
соответственно, существенно менее дорогие. Кроме того, такая паровая
машина может быть достаточно лёгкой и компактной, чтобы использоваться
на транспортных средствах. Возникший в результате паровой транспорт
(паровозы, пароходы) революционизировал коммерческие и пассажирские
перевозки, военную стратегию, и вообще затронул практически каждый
аспект общественной жизни.
Рисунок 2-схема горизонтальной одноцилиндровой паровой машины высокого давления,
двойного действия.
1 – поршень; 2 - шток поршня; 3 – ползун; 4 – шатун; 5 - коленчатый вал; 6 - эксцентрик
для привода клапана; 7 – маховик; 8 – золотник; 9 - центробежный регулятор.
Вытеснение паровых и гидравлических машин турбинами
Паровой двигатель стал изживать себя, хотя еще и предпринимались
попытки расширения его применения, в частности на транспорте. Так, в 1876
г. в США был построен паровой трактор, который с 1890 гг. стал
применяться в сельском хозяйстве. В 1879 г. русский изобретатель
Ф.А.Блинов получил привилегию (патент) на «паровоз с бесконечными
рельсами», с двумя паровыми машинами мощностью 20 л.с., который был
построен и испытан в 1888 г. Данное изобретение примечательно тем, что
оно положило начало созданию транспортных средств на гусеничном ходу и
10
в первую очередь тракторов. В энергетику стала уверенно внедряться
турбина (фр. turbine, от лат. turbo - вихрь, вращение с большой скоростью) первичный двигатель с вращательным движением рабочего органа (ротора),
преобразующего
в
механическую
работу
кинетическую
энергию
подводимого рабочего тела (воды, пара, газа). Струя рабочего тела в таком
двигателе,
непосредственно
воздействуя
на
криволинейные
лопатки,
закрепление по окружности ротора, приводит его в непрерывное вращение.
Идея турбины, в принципе отличающаяся от водяного колеса лишь
криволинейной формой лопаток, была заложена еще в сочинениях Леонардо
да Винчи.
Прежде всего, паровая турбина начала вытеснять отжившую свой век
паровую машину. Она позволяла преобразовывать энергию пара во
вращательное движение вала непосредственно, без промежуточных передач,
поэтому имела КПД значительно выше, чем у паровой машины. И работы в
этом направлении велись наиболее интенсивно. Первую реактивную турбину
многоступенчатого типа построил английский инженер Ч. Парсонс в 1884-85
гг. В 1889 г. шведский инженер К. Лаваль создал паровую турбину активного
типа, положившую начало современному турбостроению. Паровая турбина
вскоре появилась на транспорте — в 1894 г. в Англии был построен первый
паротурбоход «Турбиния».
Вслед за паровой появилась легкая и компактная газовая турбина,
отличающаяся тем, что в ней энергия сжигаемого топлива использовалась
сразу, без промежуточной стадии преобразования ее в пар. В 1909 г. Русский
инженер Н. Герасимов предложил проект турбореактивного двигателя, а в
1914 г. М.Н. Никольский разработал и построил модель турбовинтового
авиационного двигателя.
11
Список использованной литературы
1. Анатолий А. Ч. «ИСТОРИЯ ТЕХНИКИ. » Учебное пособие.
Издательство Пензенского государственного университета, Пенза.
2. http://velitsko.narod.ru/history_of_steam_engines.htm