Паровой двигатель

01.06.2023

Появление паровых двигателей дало человечеству новые возможности и ознаменовало переход к настоящей Промышленной Революции, дав новые возможности по добыче полезных ископаемых, перемещению на большие расстояния, осуществлению иной тяжёлой работы. Так что же собой представляют паровые машины?

Небольшой спойлер от автора: дальше последует некоторый результат моих исследований этой темы. Суждения в тексте ниже могут быть где-то верны, где-то ошибочны, а где-то недостаточно подробны. В любом случае, надеюсь, что будет интересно!

История паровых машин

До появления паровых машин в качестве тягового усилия использовались животные, сила ветра и воды (разнообразные водяные колёса, крылья мельниц).

Железный век породил потребность в выплавке металла из железной руды, где для выплавки одной тонны железа использовалось до 70 $м^{3}$ древесины, что со временем привело к истощению лесов в Европе и поискам нового вида топлива.

Где-то читал, что известный тип немецких домов, так называемый «Фахверк» (Fachwerk) — «Ящичная работа», то есть дом, построенный из секций и представляющей собой типичный тип крестьянской архитектуры, как раз и появился из-за обострения проблемы с лесами, так как позволяет создать строение, с минимальным использованием древесины:

Картинка: Túrelio

Особенно эта проблема обострилась в 16-18 веке, в связи с чем, в результате поисков нового топлива, благодаря предпринимателю Абрахаму Дарби, было начато использование каменноугольного кокса для целей металлургии, который, как утверждается, подсмотрел этот способ производства коксующегося угля у английских пивоваров.

В то же время, существование потребности в добыче каменного угля в шахтах, с попутной откачкой сопутствующей воды подтолкнуло к развитию машин, которые могли бы облегчить эту задачу.

Тем не менее, для успешного её решения требовалось ещё пройти большой путь и понять, как ведут себя водяные пары во время процессов нагревания и охлаждения, а также разобраться в роли атмосферного давления и вакуума, в процессе.

Большой вклад в исследование этой проблематики осуществил Дени Папен, который под руководством Гюйгенса провёл ряд опытов по исследованию поведения газов и водяного пара. Например, известен в истории его опыт, где он собрал цилиндр с поршнем, где под поршнем сжигался порох и расширяющиеся газы заставляли его двигаться вверх. Позже он попробовал поэкспериментировать и с испаряющейся водой, что привело к такому же результату.

При этом, во время экспериментов с паром при охлаждении цилиндра, пар конденсировался на стенках цилиндра, на поршень сверху давило атмосферное давление и поршень перемещался обратно вниз, совершая работу.

Его исследования легли в основу работ другого учёного, Томаса Севери, который в 1698 году получил патент на установку, которая использовала теплоту сгорания для откачки воды:

Картинка: «История энергетической техники» — Ерохин В.Г., Воронцова Л.А.

В машине Севери пар вырабатывался в котле и поступал через кран в камеру, где вытеснял воду в бак, после чего конденсировался за счёт того, что стенки камеры орошались водой из бака, куда вода была только что вытеснена.

После конденсации паров, в камере образовывался вакуум, куда под влиянием атмосферного давления с нижнего уровня всасывалась вода и процесс повторялся.

Продолжателем работ в этом направлении стал Томас Ньюкомен, который усовершенствовал машину Севери и в его случае вместо камеры уже использовался цилиндр с поршнем:

Картинка: «История энергетической техники» — Ерохин В.Г., Воронцова Л.А.

Пар в цилиндр подавался из котла, который был расположен ниже. Расширяясь в цилиндре, он поднимал поршень вверх, что заставляло левую часть коромысла, находящегося наверху, опуститься вниз, при этом происходил выброс всосанной воды из шахты (ранее, на предыдущем этапе).

Когда поршень поднимался в верхнюю точку, автоматически происходил впрыск холодной воды, что приводило к конденсации пара и возникновению вакуума в цилиндре, благодаря чему, цилиндр начинал своё движение обратно вниз, при этом левая часть коромысла начинала подниматься вверх и в этой фазе происходил засос воды из шахты (этот момент в литературе не оговаривается, но здесь очевидно, что верхняя часть цилиндра, которая находится над поршнем — была связана с атмосферой, так как идёт оговорка о совместной работе вакуума внизу и атмосферного давления наверху поршня). Система работала полностью автоматически.

Дальнейшие разработки учёных ещё больше усовершенствовали паровую машину, и на этом поприще существенной вехой является паровая машина Ползунова:

Картинка: «История энергетической техники» — Ерохин В.Г., Воронцова Л.А.

Она является первой в мире паровой машиной, которая была двухцилиндровой, что позволяло ей работать без использования гидравлической энергии. Она всё ещё оставалась атмосферной, но и это уже был прорыв.

Ещё одной существенной вехой в построении паровых машин явилось усовершенствование Джеймсом Уаттом машины Ньюкомена, в ходе которого, он обнаружил, что есть потенциал для её улучшения, так как вода, находящаяся под поршнем, в момент образования там вакуума, -начинает испаряться, так как при понижении давления, вода может кипеть при более низких температурах, что уменьшает вакуум под поршнем, а это, в свою очередь, ухудшает и эффективность машины в целом.

Поэтому ему пришло в голову сделать отдельный конденсатор пара, за пределами цилиндра. Кроме того, он использовал деревянную рубашку вокруг рабочего цилиндра, чтобы тот оставался всегда горячим, а также придумал подавать пар и над поршнем, таким образом, заложив основы создания систем двойного действия:

Картинка: Panther

Кроме того, Джеймсом Уаттом был применён центробежный регулятор, который представляет собой устройство, позволяющее регулировать подачу пара, в зависимости от нагрузки на двигатель:

Картинка: R. Routledge, 13th edition, published 1900

Принцип действия его был следующим: больше нагрузка — скорость вращения меньше, грузики центробежного регулятора опускаются ниже, пара в цилиндр подаётся больше.

Соответственно, чем меньше нагрузка, тем выше скорость оборотов двигателя, тем выше поднимаются грузики центробежного регулятора и меньше подаётся пара в цилиндр.

Дальнейшие улучшения паровой машины были направлены в направлении использования пара высокого давления, что позволило ещё больше увеличить её эффективность.

По месту, куда выпускается пар, машины могут изготавливаться как с выпуском отработанного пара в атмосферу, так и с конденсацией пара в специальном кондесаторе, где давление поддерживается ниже атмосферного. Кроме того, отработанный пар может дополнительно совершать некую работу — подогревать что то и т.д.

По компоновке паровые машины могут быть однократного расширения, когда вся работа осуществляется в рамках одного цилиндра или многократного расширения, когда расширение происходит последовательно в ряде цилиндров или же этот процесс может осуществляться параллельно в ряде цилиндров сразу.
Варианты компоновок машин многократного расширения показаны ниже:

Картинка: «Паровые двигатели» — В.К.Богомазов и др.

А ниже вы можете посмотреть ряд реально существовавших паровых машин (кликабельно):

Эта же картинка в большом разрешении есть по ссылке.

Картинка: «Паровые двигатели» — В.К.Богомазов и др.

Кстати говоря, здесь следует отметить один любопытный момент, который частенько упоминается в литературе вскользь: когда говорят о паровых машинах, то говорят, что там есть «котёл», не вдаваясь особенно в то, что под котлом поднимается не «кастрюля, под которой разведён огонь», а довольно сложное устройство, как вы можете видеть на видео ниже, где есть взорвавшийся паровоз.

Да, исторически котлы начинались как ёмкость, грубо говоря, кастрюля с огнём под ней. Однако, такой способ нагрева недостаточно эффективен, так как не позволяет обеспечить достаточно эффективный режим парообразования, из-за недостаточного теплообмена.

Поэтому, со временем появились котлы с жаровыми трубами, представляющими собой довольно крупные каналы внутри котла с водой, пронизывающие его и по ним проходили продукты сгорания.

С дальнейшим повышением эффективности — потребовалась ещё большая паропроизводительность, что привело к появлению котлов с дымогарными трубами, представляющими с собой большой массив относительно тонких труб, пронизывающих котёл с водой, по которым проходят продукты сгорания перед выбросом в атмосферу. Именно на их базе и были построены первые паровозы:

Требования к мощности паровых установок росли, что, соответственно, требовало и повышения их рабочего давления. Это привело к появлению так называемых водотрубных котлов, которые представляют собой уже массив бесшовных труб с водой, обогреваемых снаружи продуктами сгорания.

Так как в этом случае, образующееся давление оказывает воздействие на относительно малую площадь (ввиду малого сечения трубы), система может успешно сопротивляться более высоким давлениям (хотя, честно говоря, до ознакомления с этой темой, мне казалось, что паровые машины изначально будут построены, основываясь на этом принципе; но, всё оказалось совсем не так, что для меня было довольно странно узнать…). Ниже вся эта история показана более наглядно, в виде графика (кликабельно):

Скажем, как-то раз, я проводил эксперименты с давлениями порядка 300 бар (воздух), и использовал для подачи этого давления трубку с внутренним сечением 0,1 мм. Я сейчас могу несколько соврать в цифрах, но тогда у меня получалось, что на стенки этой трубки давит давление вовсе не 300 бар, учитывая её площадь, а всего лишь что-то порядка от 1 до 3 кг (точную цифру уже не помню). Так что, площадь, на которую воздействует давление — это важно…

Ещё одним интересным моментом является то, что стараются применять перегретый пар (среднее значение 400-500 градусов Цельсия), так как он повышает эффективность действия паровой машины. Связано это с тем, что обычно, при поступлении пара в цилинр, он начинает сразу же в некоторой степени кондесироваться, чего можно избежать, если пар перегрет — так как при этом сначала расходуется теплота перегрева и лишь затем пар может начать конденсироваться.

Кроме того, применение такого пара уменьшает влажность пара в момент выпуска, в конце такта расширения.

Применение перегретого пара особенно важно в турбинных установках, так как иначе влажный пар приводит к быстрому износу лопаток турбин.

Многочисленные улучшения конструкции паровой машины и отработка её отдельных элементов, привели к возникновению стандартов построения и эксплуатации, что позволило существенно уменьшить количество несчастных случаев связанных с ней, а также стабильно строить эффективные машины.

Тем не менее, описанные выше паровые машины являются поршневыми, имеющими известные ограничения по скорости оборотов и мощности, так как полезную работу они совершают, преобразуя возвратно-поступательное движение во вращательное.

В дальнейшем инженерная мысль изобретателей вела поиски способов, как бы напрямую преобразовывать энергию нагретого пара во вращательное движение, что привело к появлению в последующем паровых турбин.

Однако нельзя сказать, что учёные не думали об этом ранее, например, одним из самых ранних прародителей турбин можно назвать попытку Герона Александрийского, в ходе которой он создал реактивный шар, из которого выходили две трубки, а сам он был наполнен водой. При нагреве, будучи подвешенным на двух упорах, из этих трубок начинал вырываться с силой пар, что заставляло вращаться сам шар в противоположном направлении:

Можно сказать, что шар Герона представляет собой первый прототип реактивной турбины.
Также, весьма давно, появились идеи активных турбин, которые предлагали пар направлять на неподвижные лопатки, ударяясь о которые он приобретает определённое направление движения, поступая в дальнейшем на вращающее колесо, также с лопатками. Тем не менее, на тот момент, отсутствовали как материалы, так и предпосылки для работ над подобного рода устройствами.

Поэтому, самые первые паровые турбины, как активного, так и реактивного принципа действия начали появляться только в конце XIX века, в результате чего сложилась конструкция многоступенчатой турбины, со ступенями скорости.

Эта концепция представляет собой следующую конструкцию: пар выходит из расширяющегося сопла, благодаря чему приобретает большую скорость, направляясь неподвижными лопатками на вращающее колесо, отрабатывает на лопатках вращающегося колеса, выходит из него, поступает на следующий неподвижный диск с лопатками, проходит сквозь него, поступает на следующее вращающееся колесо и т. д. Все колёса имеют одинаковый диаметр.

Ещё одним решением является создание многоступенчатых турбин, где происходит перепад давлений на нескольких рабочих колёсах, таким образом, получается многоступенчатая турбина со ступенями давления, которую ещё называют турбиной многократного расширения (диаметр колёс увеличивается):

Дальнейшее развитие турбин привело к созданию комбинированной системы, которая представляет собой сочетание активного и реактивного принципа: в области высокого давления используется активное колесо, а в области низкого давления — несколько реактивных ступеней. Подобная конструкция некоторым образом снижает экономичность турбины, однако сама турбина получается более компактной и недорогой. Подобный тип турбин получил наибольшее распространение.

Мощность паровых турбин находится в пределах 50.000 кВт, хотя в отдельных случаях она может достигать и 150.000 кВт.
Небольшие турбины показывают скорость вращения в 5.000-8.000 об/мин.
Средние по размеру турбины развивают от 3.000 до 6.000 об/мин.
В то время как для крупных турбин скорость вращения может лежать в пределах от 1500 до 1800 об/мин.

До появления паровых турбин строились поршневые паровые машины мощностью даже до 10.000 л.с., однако, с появлением турбин, практическое построение машин мощностью более 1.000 л.с. прекратилось, так как турбины при таких мощностях оказываются более выгодными.

Преимущества и недостатки паровых машин

▍ Плюсы

В качестве основного преимущества паровых двигателей называют их способность работать практически на любом типе сгораемого топлива — они могут работать как на дровах, так и на угле и даже на тепле ядерного распада.

Кроме того, они могут вполне успешно функционировать, используя возобновляемые источники энергии, например, солнце, ветер или гидроэнергию.

Также, система со сжатым паром не зависит от атмосферного давления, именно поэтому паровые машины могут хорошо работать даже на больших высотах от уровня моря, без снижения работоспособности. Примерно к этому же можно отнести и любопытный факт, который меня удивил в своё время: что, к примеру, летом или в жарких странах аэродромные службы планируют взлёты тяжёлых самолётов, особенно с турбореактивными двигателями, таким образом, чтобы время взлёта приходилось на ранние часы, когда воздух ещё прохладный и обладает большей плотностью, чем в дневные часы. Связано это с тем, что нагретый воздух более разряжен и двигатель может не выйти на нужную мощность, в пределах взлётной полосы, поэтому её длины может не хватить. Кроме влияния на мощность двигателя, разряжённый воздух создаёт меньшую подъёмную силу для крыла.

Этот момент с влиянием нагретого воздуха на двигатель наблюдается также и в обычных двигателях внутреннего сгорания. Например, когда двигатель долго стоял на солнце и погода жаркая — после этого завести его может быть довольно проблематично (приходилось сталкиваться неоднократно самому, лично).

В противовес этому всему, — огонь в топке паровой машины может гореть практически при любом атмосферном давлении, встречающемся на Земле, в естественных условиях.

Ещё одним интересным моментом является тот, что паровой двигатель намного легче по весу альтернативных вариантов в виде двигателей внутреннего сгорания или электрических, что даёт ему преимущества в ряде применений.

Несмотря на то, что, казалось бы, паровой двигатель является устаревшим видом привода, он широко используется на электростанциях. Например, по некоторым данным, порядка 86% электрической энергии генерируемой в мире, производится именно с применением паровых турбин.

Но, одним из самых существенных преимуществ парового двигателя перед двигателем внутреннего сгорания является его способность сохранять максимальный крутящий момент во всём диапазоне скоростей, практически с нуля, что абсолютно недоступно ДВС.

В литературе этот момент отдельно не оговаривается, однако, по моему мнению, связано это со следующим: так как рабочее давление не образуется в рабочем цилиндре и подаётся в цилиндр уже в «готовом виде», то, соответственно, цилиндр может осуществлять свою работу сразу, двигаясь даже с самой минимальной скоростью (при необходимости). Кстати говоря, скорость движения цилиндра зависит только от того, на сколько открыт подающий клапан — открыли его побольше и цилиндр стал двигаться быстрее.

В противовес паровому, двигатель внутреннего сгорания для своей устойчивой работы требует наличия определённой минимальной скорости оборотов, начиная с которой, он может как обеспечивать возобновляемый цикл сгорания, так и дать возможность отбора мощности для некоего полезного применения (грубо говоря, нельзя заставить ДВС тянуть с максимальной мощностью на практически нулевых оборотах, — он просто заглохнет).

То есть, паровому двигателю не нужно поддерживать некую минимальную скорость оборотов, для обеспечения своей работоспособности, он может работать на полную мощность даже с нулевых оборотов.

Поэтому благодаря тому, что у паровых двигателей имеется возможность подачи высокого крутящего момента на любых скоростях, — паровому двигателю не нужна коробка переключения передач и крутящий момент передаётся напрямую на колёса (или для осуществления иной полезной работы).

Это даёт возможность механизму, оборудованному паровой машиной, показывать такие впечатляющие примеры применения, как например, взбираться на крутые горки, практически на нулевой скорости:

Или тянуть на медленной скорости огромный плуг:

Ещё одним любопытным моментом является то, что из вышеизложенной информации у читателя могло сложиться впечатление, что огонь под паровозным котлом спокойно горит, а дым от огня спокойно выходит через выпускную трубу.
Но, как вы могли видеть в двух видео выше, на самом деле, дым через трубу выходит резкими толчками, с характерным звуком «чух-чух» :-). Каким образом так получается, и что это такое?

А дело здесь вот в чём: на паровозах используется так называемая дымовытяжная установка, которая представляет собой конус, расположенный прямо под дымовой трубой:

Картинка: http://steamtrain.ru

После каждого рабочего такта, отработанный пар, всё ещё обладающий достаточной энергией, выбрасывается через этот конус в дымовую трубу, создавая в ней разрежение и, соответственно, искусственно усиливая тягу. Так как дымовая труба соединена с топкой, — возникшее разряжение высасывает дымовые продукты сгорания из топки и усиливает горение. Особенно эффектен этот процесс ночью:

Когда паровоз работает в режиме набора скорости, можно обратить внимание, что дым из дымовой трубы имеет характерный белёсый оттенок, так как он смешан с паром.

В свою очередь, когда паровоз уже набрал скорость, то машинист отключает подачу пара в цилиндр и паровая машина работает на холостом ходу, не затрачивая пар. Поэтому можно видеть, что дым становится характерно чёрным, так как практически не содержит пара!

▍ Минусы

Несмотря на свои очевидные плюсы, у парового двигателя много и минусов, одним из самых явность является загрязнение окружающей среды, так как для нагрева воды используется сгораемое топливо.

Несмотря на долгий процесс усовершенствования системы, паровая машина так и не смогла похвастаться низким расходом топлива. Благодаря этому, паровой двигатель является одним из самых затратных в плане топлива.

Низкий КПД паровых машин, не превышающий 10%, и послужил для них приговором, из-за чего они и уступили пальму первенства двигателям внутреннего сгорания, которые стали применяться в подавляющем большинстве видов человеческой деятельности, требующих привода.

Наличие в составе паровых машин котлов и иных контуров, заполненных паром высокого давления, создаёт опасность обслуживающему персоналу и окружающим людям, что в прошлом неоднократно проявлялось в виде взрывов:

Несмотря на все усовершенствования, поршневой паровой машине так и не удалось избавиться от кривошипно-шатунного механизма, что ограничивало её применение. Впрочем, справедливости ради, эта проблема до конца не решена в данный момент и для ДВС, несмотря на то, что существует целый ряд успешно функционирующих линейных двигателей внутреннего сгорания, где поршень движется свободно (гуглить «free piston engine»), не привязанный ни к чему, широкого распространения подобные двигатели не получили. Хотя, периодически и возникают разнообразные стартапы, и даже именитые компании пробуют внедрять их в свои электромобили, как портативную электростанцию, для подзарядки аккумуляторов:

Показанный выше двигатель может быть выполнен как в виде сбалансированной версии, как выше, с двумя поршнями, так и несбалансированной, с использованием одного поршня.

Хотя, в настоящее время, по моему мнению, благодаря наличию отработанных схем подобных двигателей и электронных систем контроля за движением свободного поршня, их распространение ограничивается больше инертностью существующей инфраструктуры, «заточенной» на использование стандартных ДВС с кривошипно-шатунным механизмом и, кроме того, всё большим распространением электрического транспорта.

Подытоживая, можно сказать, что несмотря на ореол устаревшей технологии, паровые двигатели ещё рано списывать со счетов, так как они вполне успешно трудятся на ниве электрогенерации и не только, так как, скажем, до сих пор множество самодельщиков конструируют различные аппараты с паровым приводом. Мало того, высказываются на форумах идеи о потенциале увеличения экономичности паровых технологий, с помощью применения инжекторного впрыска топлива (обеспечение импульсного подогрева, ровно столько, сколько нужно), контроля температуры воды и давления, что в наше время довольно легко осуществить с применением программно-аппаратных средств.