Как рассчитать паровой двигатель

Как рассчитать паровой двигатель


НА ПУТИ В ВЕК ПАРА И ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Виктор Сергеевич Шитарев, капитан дальнего плавания

Предложив свою формулу для расчета мощности паровых машин, Д. Уатт тем самым наметил пути их дальнейшего совершенствования. На первых машинах подача пара в цилиндр прекращалась на первой половине рабочего хода поршня. Затем этот «перекрыш» стали осуществлять на 1/7, а потом на 1/10. Далее работа происходила за счет расширения пара. В дальнейшем работать с перекрышем становилось нецелесообразно, так как надо было увеличивать длину цилиндра и ход поршня, что неизбежно влекло за собой увеличение габаритов двигателя.

В 1765-1769 годах Д. Уатт построил две машины, провел их всесторонние испытания и в январе 1769 г. получил патент на изобретение. Это были уже не пароатмосферные, а паровые машины, в рабочем цикле которых атмосферное давление не использовалось. Поступательный и возвратный ход поршня стали рабочими. С 1784 г. паровые машины двойного действия начинают выпускать серийно. Поступательное движение поршня превращалось во вращательное движение гребного вала посредством «параллелограмма Уатта». Так произошло потому, что в 1780 г. французский механик Пикар защитил патентом кривошипный механизм к «огненной машине», это при том, что сам такой механизм был известен с глубокой древности.
Далее совершенствуя свои машины, Д. Уатт изобрел и запатентовал «холодильник», в котором отработавший пар конденсируется, снова превращаясь в котельную воду. Вакуум в холодильнике обеспечивается работой специального вакуумного насоса.

Если пароатмосферные машины крутили гребной вал с частотой около 20 оборотов в минуту, то новые машины Д. Уатта могли давать около 80 оборотов, благодаря чему можно было наращивать их мощность и экономичность. Они позволяли использовать в работе пар с высокими параметрами, то есть относились к машинам высокого давления, что опять же способствовало увеличению мощности и экономичности.

Надо, однако, заметить, что простота и понятность всем формулы Д. Уатта сделала ее весьма популярной. Заказчики паровых машин и судов в своих контрактах и документах купли-продажи всегда стремились к тому, чтобы в них указывалась мощность машины, рассчитанная по формуле Д.Уатта. Эта же мощность фигурировала в отчетах и донесениях должностных лиц. Так в обиходе появились «номинальные лошадиные силы» или «нарицательные лошадиные силы». Однако формула давала хороший надежный результат только при расчете мощности пароатмосферных машин. Но когда стали применять перекрыш пара, увеличили частоту вращения коленвала машины, повысили давление пара, формула стала «обрастать» различными коэффициентами, а точность расчетов заметно снизилась.

Так продолжалось до середины ХIХ века, пока не был изобретен индикатор — прибор, позволявший измерять величину работы пара за единицу времени в каждом цилиндре паровой машины. И тогда выяснилось, что формула Д. Уатта занижает мощность машин в 4…8 раз. В результате появилась новая единица измерения — индикаторная лошадиная сила (и.л.с.). В архивах завода «Красное Сормово» были найдены материалы по пароходу «Ратмир», построенному в 1886 г. В документах отмечалось, что судно имеет машину мощностью 80 л.с., а в скобках указывалось и другое значение мощности — 336 и.л.с. Впоследствии выяснилось, что эта мощность снижается в результате трения частей паровой машины, и на движитель подается мощность, меньшая индикаторной приблизительно на 15 %. Так возникло понятие эффективной лошадиной силы — э.л.с. Например, нетрудно убедиться в том, что 336 и.л.с. эквивалентны 286 э.л.с.

Далее свой вклад в усовершенствование паровых машин внес английский инженер Горнблоуэр. Во-первых, он в 1781 г. спроектировал машину, рассчитанную на невиданно большое давление пара — 6 ати. Во-вторых, его машина имела два цилиндра: высокого давления (ЦВД) и низкого давления (ЦНД). Объем последнего был в 3…4 раза больше, чем у ЦВД. В начале рабочего цикла пар подавался в ЦВД, где совершал работу. После этого он перепускался в ЦНД, где продолжалось расширение пара, а следовательно, им совершалась дополнительная работа.

Отработавший пар из ЦНД далее должен был выпускаться в холодильник, но изобретение холодильника было защищено патентом Д. Уатта, поэтому изобретение Горнблоуэра не находило применения вплоть до 1804 г., пока не истек срок действия патента Д. Уатта. Новый двигатель был назван компаунд-машиной или просто — «компаунд». По сравнению с одноцилиндровой машиной мощность компаунда была больше в четыре раза. В 1804 г. английский инженер Артур Вульф спроектировал компаунд, рассчитанный на давление пара 3…4 ати. Такая машина оказалась втрое экономичнее серийной машины Д. Уатта; она применялась на различных судах до тех пор, пока на смену паровым двигателям не пришли дизеля.

Читайте также:  Как прибавить мощность двигателю приоры

Американцы использовали компаунд на железнодорожном транспорте, ими был построен паровоз мощностью около 2500 л.с., но серийно такие локомотивы не строились. Он так и остался в единственном экземпляре.

Компаунд получил широкое распространение на речных пароходах. Его устанавливали и на буксирах, и на грузовых, и на пассажирских судах. Как правило, это были «колесники» с бортовым расположением гребных колес. Каждое колесо приводилось в движение одним компаундом. Гребные колеса могли вращаться как в одном направлении, так и «враздрай», то есть в разные стороны, что значительно повышало маневренность судна. На каждую машину ставился свой «машинный телеграф», по которому подавались команды с капитанского мостика в машинное отделение.

Компаунд легко реверсировался и мог работать как на передний, так и на задний ход. На шкалах машинного телеграфа обозначались: «ход вперед» — полный, средний, малый и самый малый; «ход назад» — полный, средний, малый и самый малый. Капитан на мостике рукояткой телеграфа устанавливал нужный ему ход. На шкале телеграфа в машинном отделении специальная стрелка указывала вахтенному механику режим работы двигателя. Рукояткой своего устройства он дублировал команду капитана и запускал двигатель в нужном режиме.

На море колесники «не прижились», так как при качке гребные колеса работали плохо. Колесо то глубоко зарывалось в воду, то выходило из воды. Машина работала то с перегрузкой, то с недогрузом, стремясь пойти «в разнос». Отсюда — частые поломки колес, их кожухов, да и машина работала в сложных условиях. Поэтому на смену колесам пришел гребной винт.

На морских судах широкое распространение получил спаренный компаунд. В этом случае на одном машинном фундаменте устанавливали два компаунда, со стороны они смотрелись как одна четырехцилиндровая машина с двумя цилиндрами высокого и двумя цилиндрами низкого давления. Такие двигатели мощностью до 1000 л.с. устанавливали на рыболовных траулерах (РТ), которые имели водоизмещение 1000…1200 т. Это позволяло РТ легко буксировать трал на промысле и возвращаться в порт со скоростью хода около 11 узлов. Как главный двигатель компаунд был достаточно экономичен, не боялся перегрузок во время шторма, когда гребной винт то зарывается в воду, то выходит из воды; он всегда обеспечивал проектную мощность.
Компаунды мощностью свыше 2000 л.с. устанавливались на крупных транспортных судах. На одном из таковых, углерудовозе «Марите Мельникайте», довелось плавать автору этих строк. Судно водоизмещением около 7000 т легко давало проектные 12 узлов. Но больше всего мне нравилась тишина. Можно было в машинном отделении стоять рядом с работающей на полный ход машиной и разговаривать, не повышая голоса.

Подача пара в цилиндры паровых поршневых машин, а также его выпуск осуществлялись с помощью парораспределительного устройства. Его основная часть — золотник, который приводился в работу приводом, работающим от коленчатого вала машины. Для подачи пара в ЦВД применялись золотники цилиндрической формы, а для питания ЦНД устанавливались коробчатые золотники. Позже появились машины, у которых подача и выпуск пара осуществлялись через впускные и выпускные клапаны (как у двигателей внутреннего сгорания — например, дизелей). Эти машины еще назывались паромоторами. Однако отдавать предпочтение золотниковым машинам или паромоторам нет никакого смысла, и те и другие работали надежно, хотя некоторые механики о паромоторах говорили с почтением.

Источник

РАСЧЕТ ПАРОВОЙ МАШИНЫ И ПАРОВОГО КОТЛА

РАСЧЕТ ПАРОВОЙ МАШИНЫ И ПАРОВОГО КОТЛА

определение мощности паровой машины

Зачастую моделисту приходится строить модель под имею­щуюся уже готовую паровую машину. В этом случае он стал­кивается с трудностью выбора размеров модели.

Размер модели в основном зависит не от конструкции и типа паровой машины, а от ее мощности. Поэтому весьма важно уметь определять мощность уже имеющейся готовой паровой машины, не прибегая к каким-то экспериментам и догадкам, а находить ее по формуле, подставляя известные величины.

Необходимо также заметить, что умение определять мощ­ность уже имеющейся паровой машины поможет юному кон­структору находить и основные размеры паровой машины при проектировании повой машины по заданной мощности.

Для определения мощности паровой машины необходимо знать следующие величины:

Читайте также:  Неровная работа двигателя на холостых оборотах гранта

1) / — количество цилиндров.

?) Т—тип машины — простого или двойного действия.

Под машиной простого действия подразумевают машину, в которой пар давит только с одной стороны на поршень. Ма­шиной двойного действия называется машина, в которой пар давит поочередно с двух сторон на поршень.

3) 5 — ход поршня, т. е. путь движения поршня от верх­ней мертвой точки до нижней, выраженной в метрах.

4) D — внутренний диаметр цилиндра, выраженный в сан­тиметрах.

5) Р — давление пара в котле при работе паровой машины.

6) п — количество оборотов, развиваемое паровой маши­ной в минуту.

Источник

Паровой двигатель в частном доме: бесплатное электричество

На первый взгляд — идея дикая: позапрошлый век, допотопные технологии: греть воду до состояния пара, пар подавать в цилиндры, при этом со школы известно, что КПД паровой машины очень низкий

Если пытаться на этом ездить — может быть так оно и есть, хотя и тут не всё однозначно: КПД бензинового двигателя составляет 20%.
Но (. ) для нагрева воды до состояния пара подходит любое топливо, в том числе валежник (или энергия солнца) и уже можно говорить о стоимости 1% КПД:
0р/6%=0р/% против 40р/20%=2р/%
При этом 100 км дороги обойдутся 0р против 400 р при расходе топлива 10л/100 км — а это уже повод задуматься.

Однако статья о частном доме: зимой мне приходится заниматься отоплением (дрова, уголь) и это автоматически означает, что вскипятить воду до состояния пара я могу попутно, не причиняя своему карману значительного ущерба, даже используя для этой цели покупное топливо.
Основная котельная у меня в гараже, который я могу отапливать этим паром, а могу подать его в паровую машину, соединенную с динамкой и получить электричество (выхлоп пара из двигателя — отвести в ту же систему парового отопления).
В крупных городах ТЭЦ так и работают, только с большими котлами, большим давлением и огромными турбинами мощностью в несколько сотен или тысяч киловатт, а сброс избыточного давления иногда слышно на несколько километров в округе.

В частном доме и такое оборудование и такие мощности — избыточны, а котёл на 2-3 Атм вполне можно сварить и самому:

На анимации видно, что сила пара даже в 0.5 Атм — впечатляет, а 2Атм сорвало основной и дополнительный клапан. Полная версия видео представлена в отдельной статье, ссылка в конце текста. В дополнение к попытке изготовить самодельный клапан скажу, что в магазине предохранительный клапан 3Атм и 6 Атм стоят одинаково: 300 рублей, так что дальнейшую разработку этих клапанов я посчитал бессмысленной.

К сожалению — вариантов «куда подать пар» всего один: сделать самому паровой двигатель, так как любой турбине надо большое давление, а изготовить её в домашних условиях практически невозможно (центровка, балансировка, проблемы со смазкой подшипников).
Впрочем, заказал у знакомого компрессор от холодильника для экспериментов.
Пока пробую приспособить 2-тактный двигатель под работу от пара, но пока на стадии «проб и ошибок»: похвастаться нечем

Но и это ещё не всё: уже несколько раз наткнулся на статьи рерайтеров-копипастеров в Дзен и ВК:

Оригинал статьи — здесь , вкратце: ученые сделали двигатель «с трех-литровую банку» мощностью 200 л.с.
И теперь внимание: предлагается применение этого двигателя для получения электричества и отопления многоквартирного дома.
Если в доме 100 квартир — то это выходит 2 л.с. на квартиру при пиковой загрузке электросети или 1.5 Квт. Можно включить 100 чайников.
В статье ничего не говорится о том, как устроен этот двигатель, но активно рассказывается именно об этой области, попутно — как это зд о рово, сжигать в плазме бытовой мусор для получения пара давлением 10 Атм.

Я подсчитывал потребности своего дома: если не включать разом все лампочки и электроприборы в доме — 1 Квт вполне хватит, а «как сделать паровой двигатель своими руками» — есть масса вариантов в Интернет, о чем я написал в другой статье: к сожалению, готового варианта «купить», как с предохранительным клапаном для парового котла, пока не встретил.

Источник

Паровой двигатель: начинаю (постановка задач)

Этой статьей я начинаю рассказывать свой опыт постройки парового двигателя, который будет появляться в процессе.
Видимо буду делать в режиме «рассказ с открытым финалом», потому что если через 2-3 месяца сделать статью «мой паровой двигатель», то вкратце весь смысл сведется к «я это сделал» и небольшому видеоролику, демонстрирующему работу изделия.
Надеюсь, в процессе сборки поступят дельные советы и рекомендации от людей, имеющих опыт в смежных областях. Заранее прошу прощения у эстетов, ожидающих в финале увидеть нечто, покрытое лаком и сияющее на солнце:

Читайте также:  Схема электрическая принципиальная для управления двигателем

Лично я не видел ни одной никелированной экспериментальной модели, а самый вкусный зеленый чай я пил в придорожном кафе в Дагестане из неказистого чайника с облупленной эмалью.

Итак, начинаем. Как мне представляется — переделать 2-тактный движок под работу от пара больших проблем не представляет (конечно, всё покажут испытания). Но — самой ответственной деталью в данном мероприятии является вовсе не двигатель, а паровой котёл: именно он может рвануть так, что «мало не покажется», поэтому начинаем с банального: с постановки цели, опираясь на книжку 1903 года, ссылку на которую давал в предыдущей статье (и приведу в конце этой статьи)

Общая цель:
хочется создать паровой двигатель для питания динамо-машины, попутно отапливая гараж выхлопным паром. КПД — интересует слабо, так как у меня все равно печное отопление и нагрев воды до парообразного состояния может являться попутным делом и даже если ничего не получится с двигателем — паровое отопление гаража обеспечено в любом случае. Разбиваем общее на частное :

Двигатель.
Для начала я буду издеваться над 2-тактным движком от «крота» с обьемом цилиндра 50 кубических сантиметров. Насколько будет мала или велика мощность — покажет практика, на данном этапе имею весьма смутные представления. Есть варианты сделать двигатель по книжке, для чего можно применить автомобильные амортизаторы разных диаметров, правда в таком случае придется «морочиться» с шатунами. Нерабочий движок я сменял на телевизор у соседа (оба довольны что избавились от хлама ), так что с этим — боле-менее всё понятно. По самым слабым ожиданиям — будет всё равно больше, чем сейчас мне выдает 50-ваттная солнечная панель. Про движок — в отдельной статье, сейчас переходим к главному:

Котёл.
Уже имеется заготовка: некая часть медицинского оборудования яйцеобразной формы, внутрь которой я вварил дымовую трубу. Недавно обнаружил манометр до 5 Атм, отсутствие которого и держало проект.
Заготовку котла я уже применял для разморозки труб и колодца в прошлом году, о чем есть отдельная статья . Но там было всё просто: неважно какое давление у пара, важно разморозить лёд.

Постановка задачи :
получить пар давлением до 5 Атм и подать его в двигатель.
Предусмотреть взрывной клапан (лучше — ещё и дублирующий), который будет стравливать излишки давления «если что-то пойдет не так».
Понятно, что чем больше давление пара в системе — тем больше мощность, но в книжке, на которую я буду постоянно ссылаться, вообще речь идет о 2 Атм. и возможности сделать паровой двигатель своими руками из подручных средств в 1.5 л/с (1 квт). Подчеркну: речь про это идет в 1903 году (. ), а котел рекомендуется делать из медного самовара, используя олово и паяльник.

Математические выкладки, расчеты и обоснования:
Разочарую: всё, что я рукодельничаю в моём доме — сделано на силе намерения (В. Серкин, «Хохот шамана»).
Здравый смысл присутствует во всех мероприятиях, но зачастую всё само себя собирает из доступных средств, просто требуя от меня участия. Видимо финалом будет эскиз с какими-то размерами и пояснениями, совсем непохожий на сборочный чертеж готового изделия. Впрочем, все размеры есть в «библии парового двигателя», в вершках и аршинах.

Если всё получится (планы за горизонтом)
Очень хочется сделать еще нечто самодвижущееся, возможно — переделать под пар свой старый запорожец.

Но это покажут испытания. Получилось же у парня сделать паровой трайк:

(видео с канала автора Techno Rebel )

Опыт
Есть некие навыки работы с железом и сваркой. Самый выдающийся — умею варить герметичные швы. Сварку сосудов под давлением — не делал ни разу, так что это и вызов и интерес лично для меня. Было дело — сварил газогенератор, испытал с бензогенератором и даже прокатился на авто .

To be continued (продолжение следует)
В следующей статье — доработка и испытание парового котла на сброс давления 4-4.5 Атм в природу. Боле-менее эскизы и чертежи с размерами.

Источник

Adblock
detector