Паровой двигатель двойного действия

Паровой двигатель двойного действия — это тип теплового двигателя внешнего сгорания, в котором рабочий пар попеременно воздействует на обе стороны поршня, совершая полезную работу как при прямом, так и при обратном ходе. В отличие от двигателя простого действия, где пар давит на поршень только с одной стороны (а обратный ход осуществляется за счёт маховика или другого поршня), в двигателе двойного действия пар поступает в цилиндр поочерёдно с каждой стороны поршня, что позволяет значительно увеличить мощность и равномерность хода при тех же габаритах цилиндра.

История

Предпосылки создания

Первые паровые машины, созданные Томасом Ньюкоменом в начале XVIII века, были атмосферными и работали по принципу простого действия: пар низкого давления впускался в цилиндр, затем конденсировался, создавая вакуум, под действием которого поршень совершал рабочий ход. Обратный ход поршня осуществлялся под действием веса насосной штанги. Такая конструкция была крайне неэффективной и не позволяла использовать энергию пара в полной мере.

Изобретение Джеймса Уатта

Ключевой вклад в создание парового двигателя двойного действия внёс шотландский инженер Джеймс Уатт. В 1769 году он получил патент на паровую машину с отдельным конденсатором, что значительно повысило её КПД. Однако настоящий прорыв произошёл в 1782 году, когда Уатт запатентовал двигатель двойного действия. В этой конструкции пар под давлением подавался поочерёдно в верхнюю и нижнюю полости цилиндра, заставляя поршень двигаться в обоих направлениях. Для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное Уатт разработал планетарную передачу (позже заменённую на кривошипно-шатунный механизм) и параллелограмм Уатта — механизм, обеспечивающий прямолинейное движение штока поршня.

Дальнейшее развитие

Внедрение двигателя двойного действия позволило создать компактные и мощные паровые машины, которые стали основой промышленной революции. В XIX веке они использовались на фабриках, заводах, в железнодорожном транспорте (паровозы) и на флоте (пароходы). К концу XIX века двигатели двойного действия были вытеснены более эффективными паровыми турбинами и двигателями внутреннего сгорания, однако оставались в эксплуатации на некоторых предприятиях вплоть до середины XX века.

Устройство и принцип работы

Основные компоненты

Паровой двигатель двойного действия состоит из следующих ключевых элементов:

• Цилиндр — герметичная камера, в которой движется поршень. В отличие от двигателя простого действия, цилиндр имеет два паровых окна (впускных и выпускных отверстия) — по одному на каждую сторону поршня.
• Поршень — подвижный элемент, разделяющий цилиндр на две полости. На поршне установлены уплотнительные кольца (поршневые кольца) для предотвращения утечки пара.
• Золотниковый механизм — устройство, управляющее подачей и выпуском пара из полостей цилиндра. Обычно представляет собой цилиндрический или плоский золотник, который перемещается синхронно с поршнем, открывая и закрывая каналы.
• Кривошипно-шатунный механизм — преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение вала. Включает шатун, соединяющий поршень с кривошипом на коленчатом валу.
• Маховик — массивное колесо, накапливающее кинетическую энергию и сглаживающее неравномерность хода двигателя.
• Паропроводы и клапаны — система труб и запорной арматуры для подачи пара от котла к цилиндру и отвода отработанного пара в конденсатор или атмосферу.

Принцип работы

Рабочий цикл двигателя двойного действия состоит из четырёх тактов, которые повторяются для каждой стороны поршня:

1. Впуск пара в верхнюю полость: Золотник открывает канал, соединяющий верхнюю полость цилиндра с паропроводом. Пар под давлением поступает в цилиндр, давит на поршень сверху, заставляя его двигаться вниз. Одновременно нижняя полость соединяется с выпускным каналом, и отработанный пар выходит в конденсатор или атмосферу.
2. Выпуск пара из верхней полости: Когда поршень достигает нижней мёртвой точки, золотник переключается. Верхняя полость теперь соединяется с выпускным каналом, а нижняя — с паропроводом.
3. Впуск пара в нижнюю полость: Пар поступает в нижнюю полость, давит на поршень снизу, заставляя его двигаться вверх. Отработанный пар из верхней полости выходит наружу.
4. Выпуск пара из нижней полости: Поршень достигает верхней мёртвой точки, золотник снова переключается, и цикл повторяется.

Таким образом, за один оборот коленчатого вала совершается два рабочих хода (по одному от каждой стороны поршня), что вдвое увеличивает мощность по сравнению с двигателем простого действия того же размера.

Классификация

Паровые двигатели двойного действия классифицируются по нескольким признакам.

По числу цилиндров

• Одноцилиндровые — простейшие машины, имеющие один цилиндр. Отличаются неравномерностью хода, требуют массивного маховика.
• Многоцилиндровые — имеют два и более цилиндров, работающих на общий вал. Обеспечивают более равномерный ход и большую мощность. Наиболее распространены двухцилиндровые машины (тандем-машины, где цилиндры расположены последовательно, или компаунд-машины, где пар последовательно расширяется в цилиндрах разного диаметра).

По способу расширения пара

• Простого расширения — пар расширяется только в одном цилиндре, после чего выбрасывается в атмосферу или конденсатор.
• Компаунд-машины — пар последовательно расширяется в двух или более цилиндрах (сначала в цилиндре высокого давления, затем — низкого). Это позволяет более полно использовать энергию пара и повышает КПД.
• Машины многократного расширения — используются три и более цилиндров (например, на крупных морских судах).

По назначению

• Стационарные — устанавливались на фабриках, заводах, электростанциях для привода насосов, вентиляторов, генераторов.
• Транспортные — паровозы, пароходы, паровые автомобили (например, локомобили).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая мощность при компактных размерах: по сравнению с двигателем простого действия, двигатель двойного действия позволяет получить вдвое большую мощность при том же диаметре цилиндра и ходе поршня.
• Равномерность хода: рабочий ход происходит в обоих направлениях, что снижает вибрации и нагрузку на маховик.
• Гибкость регулировки: можно изменять момент отсечки пара (момент, когда прекращается впуск пара в цилиндр), что позволяет регулировать мощность и экономичность.
• Возможность реверсирования: изменяя фазы впуска пара, можно заставить двигатель вращаться в обратную сторону (важно для паровозов и судов).

Недостатки

• Сложность конструкции: требуется точная обработка цилиндра, поршня и золотникового механизма, а также надёжные уплотнения для предотвращения утечек пара.
• Тепловые потери: при каждом ходе поршня стенки цилиндра попеременно нагреваются и охлаждаются, что приводит к потерям тепла (эффект «стенки цилиндра»).
• Необходимость в паре высокого давления: для эффективной работы требуется пар с давлением не менее 2–5 атмосфер, что предъявляет требования к котлу.
• Большой вес и габариты: по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, паровые машины двойного действия значительно тяжелее и занимают больше места.

Применение

Промышленность

В XIX — начале XX века паровые двигатели двойного действия были основным источником механической энергии на фабриках и заводах. Они приводили в действие станки, молоты, прессы, насосы, вентиляторы и генераторы электрического тока. В России такие двигатели устанавливались, например, на текстильных мануфактурах в Иваново-Вознесенске, на металлургических заводах Урала и Донбасса.

Транспорт

• Паровозы: на большинстве паровозов использовались паровые машины двойного действия с двумя или четырьмя цилиндрами. Классическим примером является паровоз серии «ФД» (Феликс Дзержинский), выпускавшийся в СССР в 1930-х годах.
• Пароходы: на речных и морских судах применялись компаунд-машины и машины тройного расширения. Например, колёсный пароход «Волга» (1846 год) оснащался паровой машиной двойного действия мощностью 80 л. с.
• Локомобили: передвижные паровые установки, использовавшиеся в сельском хозяйстве и на лесозаготовках.

Энергетика

В конце XIX — начале XX века паровые двигатели двойного действия применялись на тепловых электростанциях для привода динамо-машин. Однако с появлением паровых турбин (более эффективных и мощных) они были вытеснены из этой сферы.

Интересные факты

• Первый паровой двигатель двойного действия, построенный Джеймсом Уаттом в 1783 году, имел мощность около 10 лошадиных сил и использовался для привода насосов на рудниках Корнуолла.
• В 1804 году Ричард Тревитик построил первый в мире паровоз, оснащённый паровой машиной двойного действия. Он развивал скорость до 8 км/ч.
• В России первый паровоз с машиной двойного действия был построен отцом и сыном Черепановыми в 1834 году. Он весил 2,4 тонны и мог перевозить до 3,5 тонн груза.
• Самый мощный паровой двигатель двойного действия в мире — паровая машина фирмы «Sulzer» мощностью 25 000 л. с., установленная на судне «Титаник» (1912 год). Она состояла из двух машин тройного расширения и одной турбины низкого давления.
• В СССР паровые двигатели двойного действия выпускались до 1950-х годов, в основном для паровозов и локомобилей. Последний советский паровоз серии «П36» (1956 год) имел машину двойного действия с двумя цилиндрами.

Источники

1. Джеймс Уатт и его изобретения. — М.: Наука, 1985.
2. История паровых машин. — СПб.: Политехника, 2003.
3. Техническая энциклопедия. Том 16. — М.: Советская энциклопедия, 1932.
4. Паровозы России. — М.: Транспорт, 1995.
5. Энциклопедия судовых энергетических установок. — Л.: Судостроение, 1980.