История огня и пара. Как работает паровой двигатель, каким он стал сегодня и почему будет жить вечно
Привет! Меня зовут Colt и я пишу посты на яхтенную тематику. Сегодня предлагаю поговорить про паровые двигатели.
Пользуясь случаем - зову с собой в путешествие на парусной яхте на НГ 2024. Объявление в конце поста
В прошлый раз мы говорили о том, как пароходы вытеснили парусные суда, сегодня же предлагаю посмотреть, как развивался паровой двигатель, установленный на кораблях.
Паровой двигатель принес на суда возможность двигаться без ветра и маневрировать удобным способом.
Принцип был прост – разогреваем воду в замкнутом пространстве (котле) и потом приоткрываем котел, пар заполняет пространство цилиндра и начинает двигать поршень. Когда поршень доходит до конца – пар подается с другой стороны цилиндра, и он двигается обратно.
Схема работы парового двигателя
Знаменитый Джеймс Уатт изобрел не паровой двигатель, а регулятор к нему, который смог заставить систему вращаться равномерно (регулируя подачу пара).
И пусть паровой двигатель тогда был прожорлив и ненадежен, но потенциал был виден и первыми в него начали вкладываться военные.
Инженеры представшие перед полковником предложили стандартное решение – взять паровой двигатель из промышленности и вставить его на корабль. В промышленности тогда разводили костер под котлом, а сам котел и трубу обкладывали кирпичом для безопасности.
Так было в промышленности
От кирпичей решено было отказаться сразу, а глядя, как полковник поглаживает саблю, инженеры быстро сообразили, что огонь можно разводить не под котлом, а сделать топку внутри котла, тогда и опасности от огня меньше и габарит экономится.
Давление в котле было около 1,5 атмосфер.
Паровая машина разместилась на палубе, привод на колеса был прямой, КПД двигателя 8% и КПД колес 10%. Итого из 100 л.с. на колеса доходила 1.
Немного, но для старта неплохо.
Один из первых пароходов
Получилось массивно, неудобно, но работало. Подумав немного еще, инженеры сообразили, что в идеале судовую машину надо разместить в трюме:
1. Она заменит чушки балласта и пространства на корабле останется столько же
2. К тому времени уже придумали как установить судовой винт (КПД 30%) и машина оказалась очень близко к валу, что хорошо.
Цилиндр паровой машины размещался горизонтально, параллельно днищу корабля и перпендикулярно винту. Слабым местом казались сами цилиндры привода вала, ведь в трюме поперек корабля предстояло разместить цилиндр, кривошип и ползун. В результате сам цилиндр получился короткоходным и большую мощность развивать не получалось.
Слева вода, по центру корабля проходила ось винта
Выслушав от полковника историю о том, как он расстреливал индейцев из «вот этого самого кольта» инженеры быстро сообразили, что можно сделать обратную соединительную тягу, цилиндр разместить по центру судна и таким образом увеличить размер цилиндров!
Цилиндр разместился по центру корабля. Изобразил схему как смог))
Однако мощности было недостаточно, а простой подъем давления в котлах до 3-4 бар хоть помог, но слабо.
И тогда полковник рассказал, как в Индии плохих инженеров привязывали к жерлам пушек.
После этого инженеры быстро додумались до паровых машин двукратного и трехкратного действия. Помните формулу:
Сила = давление пара* площадь поршня?
Поскольку пар из цилиндра выкидывается еще с остаточным давлением, то его можно подать в другой цилиндр с бОльшей площадью поршня и использовать еще раз, и еще раз.
Паровой цилиндр трехкратного действия. Каждый следующий цилиндр имеет площадь поршня больше предыдущего .Ниже схема работы -красным обозначен наиболее горячий пар
Но поскольку в котлы тогда лили морскую воду, то все это быстро покрывалось накипью. Накипь оседала на стенки котла, ухудшалась теплоотдача, а перегрев стенок вызывал взрыв котла!
Инженеры было предложили возить с собой чистой воды, для перехода через Атлантику это тонн 500.
Но полковник вспомнил о том, как эффективен новый винчестер против мексиканцев и инженеры сообразили – ведь пар на выходе можно собрать в большом радиаторе, где он снова превратится в воду – замкнутый цикл, бесконечная вода! Так изобрели конденсатор и стали использовать в котлах дистиллированную воду и используют ее до сегодняшних дней.
Простейший конденсатор
Но тут начало не хватать пара и пришлось улучшать котел.
Для начала перешли с дров на уголь, получив больше теплоотдачи.
Потом сообразили, что если не просто греть котел, а пропустить 2-3 трубы с раскалённым воздухом из котла через него, то вода будет нагреваться быстрее.
Вот эти 2 трубы с правой части - для прохода раскаленного воздуха. Ланкаширский котел, 1845
А затем увеличили количество труб, проходящих через котел -получился дымогарный котел. Заодно подняли давление почти до 5 бар благо технологии уже позволяли создать такой котел и КПД подросло до 25-30%.
Вот видно большое количество труб которые пронзали котел. Паровоз после взрыва котла, да))
Попутно изобрели форсунки и перешли с угля на нефть, получив дополнительно бОльшую теплоотдачу и главное- возможность быстро нарастить или убавить количество топлива (попробуй резко увеличить подачу угля -подкинь в топку 500 кг угля за минуту).
Приблизительно в 1890х додумались, что если по трубам пускать воду, а вокруг будет жар от топлива, то вода будет нагреваться еще быстрее, и так появился водотрубный котел.
Примерно так -пространство котла пронизано трубами с водой
По сути старый добрый паровой котел поменялся до неузнаваемости!
И пришло время меняться и паровому цилиндру. Ему на смену в 1900х пришла паровая турбина!
Пар разогревался в котле и подавался на лопатки турбины.
Первая паровая турбина -турбина Парсона
И принцип работы -пар подавался на лопатки турбины в нескольких местах и раскручивает ее
И все бы хорошо, только судовой винт эффективен при 80-100 об/минуту. А турбина эффективна при высоких оборотах (зато КПД аж до 40%). Нужен был редуктор, а передать 1000 л.с. в одном пятне контакта двух шестерен весьма не просто.
И когда полковник завел речь о новомодном пулемете сэра мАксима, который выкашивал африканцев как траву, инженерам пришлось изобретать и пристраивать к турбине редукторы со сложным зацеплением (червячный и планетарный).
Где то с 1910 и до второй мировой войны на большинстве крупных кораблей была именно такая схема – водотрубный котел + паровая турбина. Турбину как и паровые цилиндры сделали двух и трехступенчатой, чтобы пар расходовался эффективно.
1 – входной паропровод; 2 – направляющие лопатки турбины; 3 – рабочее колесо 4 – вал; 5 – выходной паропровод
В таком вот виде паровой двигатель дожил до наших дней и вполне хорошо работает на кораблях, заводах, ТЭЦ и атомных станциях.
«А почему паровой двигатель останется с нами навсегда?» -спросит меня читатель.
Видите ли, основным плюсом парового двигателя является что он может работать на любом топливе, т.к. турбина не соединена с котлом. В отличии от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует строго определённого вида топлива.
Значит топить его можно как дровами или кизяком, так и атомным реактором и энергией солнца.
И если мы в будущем при освоении очередной планеты будем использовать в качестве топлива экзотическую энергию фреанских стержней – то паровой двигатель все равно будет работать. Причем работать с высоким КПД (на ТЭЦ КПД турбины почти 90%)!
Надо запитать электричеством базу переселенцев на планетоиде Новый Бобруйск? Паровая турбина в помощь!
Где то за домиком будет прятаться мобильный паровой двигатель с генератором))
А ведь есть еще плюсы второго порядка
1. Эффективность парового двигателя не падает с разряжением воздуха, поэтому на высокогорьях Китая и Латинской Америки до сих пор используют паровозы, несмотря на наличие тепловозов. Так что в разреженном воздухе Марса -паровой двигатель будет работать эффективнее ДВС.
2. Важным преимуществом поршневых паровых двигателей является сохранение максимального крутящего момента на любых оборотах, вплоть до самых минимальных. Это даёт паровым транспортным средствам динамику, недостижимую для транспортных средств с ДВС — преодоление уклонов на любой скорости, чрезвычайно медленный ход, плавный ход без рывков.
3. Поршневая паровая машина не требует работы на холостом ходу в моменты простоя. Она расходует пар строго пропорционально нагрузке, что значительно улучшает её экономичность. При необходимости подача пара прекращается, а повторный пуск происходит практически мгновенно.
Вот такой он- паровой двигатель!
That's all, folks!
Желающие читать меня в телеграмме -ищите на канале "Яхта"
Поход по Турции на НГ 2024.
Есть 2 места в команде желающих пойти в яхтенное путешествие-поход под парусом по средиземноморскому побережью Турции - от Мармариса до Каша на этот Новый Год. Мы арендуем яхту и делим стоимость на всех.
Желающие присоединиться - велком!
Объявление и описание маршрута закреплено на канале @ProstoYachta.
Или пишите в телегу Colt248
Даты 23.12.2023-06.01.2024
Или 31.12.23 -06.01.24 (можно присоединиться на половину похода)
Яхта - Oceanis 43.
Размещение -1 двухместная каюта (2 места)
Знаний и особых навыков не требуется. Пол-дня плывем, пристаем и полдня гуляем, смотрим древние города, бродим по Ликийской тропе, осматриваем старинные прибрежные городки и крепости, пару раз заночуем в диких местах - посмотрим на звезды, остальные ночевки хоть и на яхте, но на обитаемых пирсах в городках. Новый год встретим в турецком Каше. Турция зимой невероятно красива и пустынна, любители видов не пожалеют. Будет холодно, но очень, очень красиво!
Фото из прошлогоднего похода.
Погода-как ранняя осень у нас -днем в футболке, утром/вечером в свитере, иногда дождь. Яхта отапливается)
Будет возможность поставить паруса, научиться управлять яхтой и прочувствовать как именно ходили под парусами предки.
Если не можете пойти со мной, но хотите пойти в путешествие на яхте, то я собираю предложения других капитанов на канале Love Yacht Russia
Мои другие посты
Парусная яхта, как она движется против ветра? Немного о парусах
Кубок Америки -вершина яхтенного экстрима и инжиниринга. Старейшие яхтенные соревнования на планете
Косой парус - исторический прорыв сравнимый с колесом. Причем тут легенда об Икаре?
Парусники- названия мачт и рей. Почему грота-бом-брам-стеньга это просто и как этим ругаться?
Брочинг -ужас у водомоторников и страх яхтсменов. Или как положить яхту на бок
Чайный клипер. Как построить необычайно быстрый парусник, рецепт из 19 века