Паровые машины

Паровые машины — это тепловые двигатели внешнего сгорания, преобразующие энергию водяного пара в механическую работу. Основным принципом действия является расширение пара, получаемого при нагреве воды в котле, который давит на поршень или лопатки турбины, приводя в движение механизмы. Паровые машины стали ключевой технологией промышленной революции XVIII—XIX веков, обеспечив механизацию производства, развитие транспорта (пароходы, паровозы) и создание централизованных энергетических систем.

История

Ранние прототипы

Первые известные устройства, использующие силу пара, относятся к античности. Герон Александрийский в I веке н. э. описал эолипил — шар, вращающийся под действием струй пара, выходящих из сопел. Однако это изобретение не нашло практического применения и осталось игрушкой. В XVI—XVII веках в Европе предпринимались попытки создать механизмы для подъёма воды из шахт с помощью пара. В 1629 году итальянец Джованни Бранка предложил проект паровой турбины, но он не был реализован.

Изобретение и совершенствование

Первая практически работающая паровая машина была создана в 1698 году английским инженером Томасом Севери. Его «друг шахтёра» (паровой насос) использовал разрежение, создаваемое конденсацией пара, для подъёма воды. Машина была неэффективна и опасна из-за высокого давления. В 1712 году Томас Ньюкомен разработал атмосферный двигатель, в котором пар низкого давления впускался в цилиндр, а затем конденсировался, создавая вакуум, под действием которого поршень опускался под атмосферным давлением. Эти машины использовались для откачки воды из угольных шахт, но были громоздкими и расходовали много топлива.

Решающий вклад в развитие паровой машины внёс шотландский инженер Джеймс Уатт. В 1760-х годах он усовершенствовал двигатель Ньюкомена, добавив отдельный конденсатор, что позволило избежать охлаждения цилиндра и резко повысить КПД. В 1782 году Уатт создал машину двойного действия, где пар поочерёдно давил на обе стороны поршня, и оснастил её центробежным регулятором и параллелограммом Уатта для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное. Эти изобретения сделали паровую машину универсальным двигателем, пригодным для привода заводских станков, мельниц и насосов.

Распространение в XIX веке

В XIX веке паровые машины стали основой промышленности. В 1804 году Ричард Тревитик построил первый паровоз, а в 1807 году Роберт Фултон запустил первый коммерческий пароход. В России паровые машины начали применяться в начале XIX века: на Урале и в Санкт-Петербурге. В 1833 году на Александровском заводе в Петрозаводске был построен первый российский пароход. К середине века паровые двигатели использовались на текстильных фабриках, металлургических заводах, в горном деле и на транспорте. В 1880-х годах появились паровые турбины, изобретённые Чарльзом Парсонсом и Густавом де Лавалем, которые позволили достичь высоких скоростей вращения и большой мощности, что привело к их применению в электроэнергетике.

Упадок и современное применение

С начала XX века паровые машины начали вытесняться двигателями внутреннего сгорания и электродвигателями, которые были более компактными, эффективными и удобными в эксплуатации. Паровозы и пароходы постепенно заменялись тепловозами, дизельными судами и электровозами. Однако паровые турбины остаются основным типом двигателя на тепловых и атомных электростанциях, где они приводят генераторы. В некоторых отраслях, например, в ядерной энергетике и на судах с ядерными силовыми установками, паровые машины (в виде турбин) продолжают использоваться. Также паровые двигатели применяются в исторических реконструкциях, музейных экспонатах и в качестве хобби.

Устройство и принцип действия

Основные элементы

Классическая паровая машина поршневого типа состоит из следующих основных частей:

• Паровой котёл — герметичный сосуд, в котором вода нагревается до кипения и превращается в пар под давлением. В качестве топлива используются уголь, дрова, нефть, газ или ядерное топливо.
• Цилиндр — камера, в которой движется поршень. В машинах двойного действия пар подаётся поочерёдно в обе полости цилиндра.
• Поршень — подвижный элемент, преобразующий энергию пара в механическое движение.
• Золотниковый механизм — устройство, распределяющее поток пара между полостями цилиндра и выпускающее отработанный пар.
• Кривошипно-шатунный механизм — преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.
• Маховик — массивное колесо, сглаживающее колебания крутящего момента.
• Конденсатор (в некоторых конструкциях) — устройство для охлаждения и конденсации отработанного пара, что повышает КПД.

Принцип работы

В паровом котле вода нагревается, превращаясь в пар под давлением. Пар через золотниковый клапан поступает в цилиндр, давит на поршень, заставляя его двигаться. После совершения хода золотник переключает поток, направляя пар с другой стороны поршня, а отработанный пар выпускается в атмосферу или конденсатор. Цикл повторяется. В паровой турбине пар расширяется в соплах, направляя струю на лопатки ротора, заставляя его вращаться.

Классификация

По типу рабочего процесса

• Поршневые машины — классические двигатели с возвратно-поступательным движением поршня. Бывают простого и двойного действия, с конденсацией и без.
• Паровые турбины — роторные двигатели, в которых пар расширяется в соплах и вращает лопатки. Обладают высокой мощностью и КПД, используются в энергетике.
• Беспоршневые машины — редкие конструкции, например, роторные паровые двигатели или паровые эжекторы.

По давлению пара

• Низкого давления (до 1,5 МПа) — исторические машины, использовавшиеся в XIX веке.
• Среднего давления (1,5–4 МПа) — применялись на паровозах и пароходах.
• Высокого давления (свыше 4 МПа) — современные турбины и некоторые поршневые машины.

По назначению

• Стационарные — для привода заводских станков, насосов, генераторов.
• Транспортные — паровозы, пароходы, паровые автомобили (например, локомобили).
• Судовые — для привода гребных винтов.

Применение

Промышленность

В XIX веке паровые машины были основным источником механической энергии на фабриках и заводах. Они приводили в движение ткацкие станки, прокатные станы, молоты, насосы и подъёмники. В горном деле паровые насосы откачивали воду из шахт, а паровые лебёдки поднимали руду.

Транспорт

• Железные дороги: паровозы доминировали на железных дорогах мира с середины XIX до середины XX века. В России первый паровоз был построен отцом и сыном Черепановыми в 1834 году. К середине XX века паровозы были вытеснены тепловозами и электровозами, но в некоторых странах (например, в Китае) использовались до 2000-х годов.
• Водный транспорт: пароходы и парусные суда с паровыми двигателями (пароходы-фрегаты) совершали трансатлантические рейсы. В России первый пароход «Елизавета» был построен в 1815 году.
• Автомобили: в начале XX века существовали паровые автомобили (например, «Stanley Steamer»), но они проиграли конкуренцию двигателям внутреннего сгорания из-за длительного разогрева и низкой эффективности.

Энергетика

Паровые турбины являются основой современной тепловой и атомной электроэнергетики. На тепловых электростанциях (ТЭС) пар, полученный в котлах при сжигании угля, газа или мазута, вращает турбину, соединённую с генератором. На атомных электростанциях (АЭС) пар образуется в реакторе за счёт ядерной реакции. КПД современных паровых турбин достигает 40–45%, а на комбинированных парогазовых установках — до 60%.

Интересные факты

• Первая в мире паровая машина, построенная Томасом Севери, не имела движущихся частей, кроме клапанов, и работала как насос.
• Джеймс Уатт ввёл единицу измерения мощности — лошадиную силу (л. с.), чтобы демонстрировать преимущества своих машин перед лошадьми.
• Самый мощный паровоз в истории — советский паровоз серии «ФД» (Феликс Дзержинский), выпускавшийся с 1931 года, развивал мощность до 3700 л. с.
• В России до сих пор сохранились действующие паровозы на некоторых узкоколейных железных дорогах, например, на Кругобайкальской железной дороге.
• Паровые машины используются в некоторых моделях современных атомных ледоколов, например, в силовых установках на основе ядерных реакторов.

Источники

• «История паровой машины» — Джон Ф. Д. Смит, 1985.
• «Паровые машины и паровозы» — В. А. Раков, 1955.
• «Тепловые двигатели» — А. Н. Ларионов, 2003.
• «Энциклопедия паровых машин» — под ред. Р. Х. Хилла, 1998.
• «Развитие паросиловых установок в России» — И. Я. Конфедератов, 1960.