В те годы, когда автомобиль только зарождался двигатель внутреннего сгорания лежал лишь на одном из направленний конструкторской мысли. С автомобилем, где использовались двигатели такого рода, успешно конкурировали паровые и электрические. Паровой автомобиль француза Луи Сорполле даже установил в 1902 году рекорд скорости. И в последующие годы — безраздельного господства бензиновых двигателем находились oтдельные энтузиасты пара, которые никак не могли примириться с тем, что этот вид энергии вытеснен с шоссейных дорог. Американцы братья Стенлей строили паровые автомобили с 1897 до 1927 года. Их машины были вполне совершенны, но несколько громоздки. Другая родственная пара, тоже американская — братья Добл, — продержалась несколько дольше. Неравную борьбу они закончили в 1932 году, создав несколько десятков паровых автомобилей. Одна из таких машин эксплуатируется до сих пор, не подвергаясь почти никаким изменениям. Установлен лишь новый котел и форсунка, работающая на дизельном топливе. Давление пара достигает 91,4 атм. при температуре 400° С. Максимальная скорость автомобиля весьма высока – около 200 км/ч. Но самое замечательное – возможность при трогании с места развить огромный крутящий момент. Этим свойством паровой машины двигатели внутреннего сгорания не обладают, и потому и своё время так трудно было внедрить дизель на локомотивы. Автомобиль братьев Добл прямо с места переезжал через положенный под колеса брусок размером 30 на 30 см. Ёще одно любопытное свойство: задним ходом он взбирается на холм быстрее, чем обычные машины передним. Отработанный пар используется лишь для вращения вентилятора и генератора, заряжающего аккумуляторную батарею. Но эта машина так и осталась бы курьезом, претендентом на место в музее истории техники, если бы взоры конструкторов в наши дни не обратились вновь к старым идеям — электромобилю и пару — под влиянием опасности, которую представляет загрязнение атмосферы.
Что с этой точки зрения привлекает в паровом автомобиле? Исключительно важное свойство — очень малое выделение с продуктами сгорания вредных веществ. Происходит это потому, что топливо сгорает не вспышками, как в бензиновом двигателе, а непрерывно, процесс горения идет стабильно, время сгорания гораздо больше.
Открытия в этом как будто бы вовсе нет — различие между паровым двигателем и двигателем внутреннего сгорания лежит в самом принципе их работы. Почему же паровые автомобили не выдержали конкуренции с бензиновыми? Потому что у двигателей их есть ряд серьезных недостатков.
Первое — известный факт: шоферов-любителей сколько угодно, машинистов же любителей пока нет ни одного. В этой области человеческой деятельности заняты исключительно профессионалы. Самое главное заключается в том, что шофер-любитель, садясь за руль, рискует только жизнью своей и тех, кто ему добровольно доверился; машинист же — тысячами других. Но важно еще и другое: для обслуживания парового двигателя требуется более высокая квалификация, нежели для обслуживания бензинового. Ошибка приводит к серьезным поломкам и даже взрыву котла.
Второе. Кто не видал паровоза, мчащегося в белом облаке по рельсам? Облако — это пар, выпускаемый в атмосферу. Паровоз — могучая машина, на ней хватит места и для большого котла с водой. А на автомобиле не хватает. И это одна из причин отказа от паровых двигателей.
Третье же и самое главное — это низкий к. п. д. паровой машины. Недаром в индустриально развитых странах все паровозы на магистралях стараются заменить теперь тепло- и электровозами, недаром неэкономичность паровоза вошла даже в поговорку. 8% — ну что это за к. п. д.
Для повышения его нужно увеличить температуру и давление пара. Чтобы к. п. д. парового двигателя мощностью от 150л. с. и выше равнялся 30% должно поддерживаться рабочее давление в 210 кг/см2, для чего требуется температура в 370°. Технически это осуществимо, но вообще-то крайне опасно, потому что даже небольшая утечка пара в двигателе или котле может привести в катастрофе. А от высокого давления до взрыва — дистанция совсем небольшая.
Это — главные трудности. Есть и более мелкие (хотя надо оговориться, что в технике мелочей не бывает). Сложно смазывать цилиндры, ибо масло образует эмульсию с горячей водой, попадает в трубы котла, где откладывается на стенках. Это ухудшает теплопроводность и вызывает сильный местный перегрев. Другая «мелочь» — затрудненный по сравнению с обычным пуск парового двигателя.
И тем не менее конструкторы взялись за очень старое и абсолютно новое для них дело. Две удивительные по своему устройству машины вышли на улицы американских городов. Внешне они не отличались от обычных машин, одна даже обтекаемостью форм напоминала спортивную. Это были паровые автомобили. Оба они трогались с места менее чем через 30 сек. после включения двигателя и развивали скорость до 160 км/ч, работали на любом горючем, в том числе и керосине, и на 800 километров пробега расходовали 10 галлонов воды.
В 1966 году фирма «Форд» испытала четырехтактный высокооборотный паровой двигатель для автомобиля рабочим объемом 600 см3. Испытания показали, что в выхлопных газах содержится всего лишь 20 частиц углеводорода на 1 млн. (предписаниями сенатской комиссии по борьбе с загрязнениями воздуха допускается 27 частиц), окиси углерода содержалось 0,05 % общей массы выхлопных газов, что в 30 раз меньше допустимого количества.
Экспериментальный паровой автомобиль, сделанный фирмой «Дженерал моторс», под индексом Е-101 демонстрировался на выставке автомобилей с необычными двигателями. Внешне он не отличался от той машины, на базе которой был создан — «понтиак», — но двигатель вместе с котлом, конденсатором и прочими агрегатами паровой системы весил на 204 кг больше. Водитель садился на свое место, поворачивал ключ и ждал 30—45 сек, пока не загорится лампочка. Это означало, что давление пара достигло нужной величины и можно ехать. Столь короткий промежуток времени можно расчленить на такие этапы.
Котел заполнился — включается топливный насос, топливо поступает в камеру сгорания, смешивается с воздухом.
Температура и давление пара достигли нужного уровня, пар идет в цилиндры. Двигатель работает на холостом ходу.
Водитель нажимает на педаль; количество пара, идущего в двигатель, увеличивается, машина трогается с места. Топливо любое — дизельное, керосин, бензин.
Все эти опыты дали возможность Роберту Айресу из Вашингтонского центра перспективных разработокок заявить, что недостатки парового автомобиля преодолены. Высокая себестоимость при серийном производстве безусловно понизится. Котел, состоящий из труб, исключает опасность взрыва, так как в любой момент в работе участвует лишь небольшое количество воды. Если трубы расположить теснее, размеры двигателя уменьшатся. Антифриз избавит от опасности замерзания. Паровой двигатель не нуждается в коробке передач, трансмиссии, стартере, карбюраторе, глушителе, системах охлаждения, газораспределения и зажигания. В этом его огромное преимущество. Режим работы машины можно регулировать, подавая большее или меньшее количество пара в цилиндры. Если вместо воды использовать фреон, который замерзает при очень низких температурах да еще и обладает смазочным свойством, то преимущества возрастут еще более. Паровые двигатели соперничают с обычными по приемистости, расходу горючего, показателю мощности на единицу веса.
Пока о широком использовании паровых автомобилей речи нет. До промышленного образца не доведена ни одна машина, а перестраивать автомобильную индустрию никто не собирается. Но самодеятельные конструкторы никакого отношения к промышленной технологии не имеют. И они один за другим создают оригинальные образцы автомобилей с паровыми двигателями.
Два изобретателя, Петерсон и Смит, переделали подвесной лодочный мотор. Они подавали пар в цилиндры через отверстия для свечей. Двигатель весом 12 кг развил мощность в 220 л. с. при 5600 об/мин. Их примеру последовали инженер-механик Петер Баррет и его сын Филипп. Использовав старое шасси, они построили паровой автомобиль. Смит поделился с ними опытом. Отец и сын использовали четырехцилиндровый подвесной мотор, совместив его с паровой турбиной конструкции Смита.
Пар производился в специально сконструированном котле, который содержит около 400 футов медных и стальных трубок, соединенных в спиралевидные связки, проходящие друг над другом. Так увеличивается циркуляция. Вода накачивается в котел из бака. Горючее смешивается с воздухом в камере сгорания, и раскаленные языки пламени вступают в соприкосновение с трубами. Через 10—15 сек. вода превращается в сжатый пар температурой примерно 350°С и давлением 44 кг/см. Он выбрасывается из противоположного конца парогенератора и направляется во впускной канал двигателя.
Пар поступает в цилиндр через вращающиеся лопасти, вдоль которых проходят каналы постоянного сечения.
Наружная муфта коленчатого вала жестко связана с цепной передачей на ведущие колеса.
Наконец перегретый пар выполнил свою полезную работу, и он должен теперь превратиться в воду, чтобы быть готовым начать цикл снова. Это делает конденсатор, внешне похожий на обычный радиатор автомобильного типа. Он и размещен спереди — для лучшего охлаждения встречными потоками воздуха.
Наибольшие трудности инженеров заключаются в том, что часто, чтобы добиться хотя бы относительной простоты конструкции, приходится уменьшать И без того невысокий к. п. д. автомобиля. Двум самодеятельным конструкторам очень помогли советы Смита и Петерсона. Именно в результате совместной работы удалось внести в конструкцию много ценных новинок. Начать хотя бы с воздуха для горения. Перед непосредственным поступлением В горелку его подогревают, проводя между раскаленными стенками котла. Это обеспечивает более полное сгорание топлива, сокращает время выпуска, а также делает более высокой температуру сгорания смеси и, стало быть, к. п. д.
Для зажигания горючей смеси в обычном паровом котле используется простая свечка. Петер Баррет сконструировал более эффективную систему — электронного зажигания. В качестве горючей смеси использован спирт-ректификат, поскольку он дешев и имеет высокое октановое число. Конечно, керосин, дизельное топливо и другие жидкие сорта тоже будут работать.
Но самое интересное здесь — конденсатор. Конденсация больших количеств пара считается главным затруднением современных паросиловых установок. Смит сконструировал радиатор с таким расчетом, чтобы использовалась водяная пыль. Конструкция работает отлично, система конденсирует влагу на 99%. Вода почти не расходуется — кроме того небольшого количества, которое все же просачивается через уплотнения.
Другая интересная новинка — система смазки. Цилиндры паровой машины обычно смазываются с помощью сложного и громоздкого устройства, распыляющего тяжелую масляную пыль в паре. Масло оседает на стенках цилиндров и затем выбрасывается с отработанным паром. Позже масло необходимо отделить от водяного конденсата и возвратить в систему смазки.
Барреты использовали химический эмульсигатор, который вбирает оба элемента — воду и масло и затем разделяет их, устраняя, таким образом, необходимость в громоздком инжекторе или механическом сепараторе. Испытания показывают, что при работе химического эмульсигатора не образуется осадков ни в паровом котле, ни в конденсаторе.
Интересен также механизм типа сцепления, который напрямую соединяет двигатель с ведущим валом и карданной передачей. Машина не имеет коробки перемены передач, скорость контролируется изменением впуска пара в цилиндры. Использование системы «впуск-выпуск» позволяет без затруднений поставить двигатель в нейтральное положение. Пар может направляться в двигатель, нагревать его и в то же самое время приводить паровой котел в положение готовности к активной работе, сохраняя в нем постоянное близкое к рабочему давление. Паровой двигатель развивает мощность 30— 50 л. с, а галлона топлива хватает на передвижение машины на расстояние 15—20 миль, что вполне сравнимо с расходом топлива у автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Контрольная система довольно сложна, но полностью автоматизирована; приходится следить только за рулевым механизмом и выбирать требуемую скорость. При испытаниях автомобиль достиг скорости около 50 миль в час, но это предел, поскольку шасси машины не соответствовало мощности двигателя.
Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга , которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.
Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов.
В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) 1930 -х годов, со множеством современных усовершенствований, таких, как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т. д. В результате такие паровозы имеют на 60 % меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами.
Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса. При этом паровая машина паровоза продолжает развивать тяговое усилие даже в случае остановки колёс (упор в стену), чем отличается от всех других видов двигателей, используемых на транспорте.
Коэффициент полезного действия
Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определён как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты , содержащейся в топливе . Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла. КПД тепловой машины равен
,
где W out — механическая работа, Дж; Q in — затраченное количество теплоты, Дж.
Тепловой двигатель не может иметь КПД больший, чем у цикла Карно , в котором количество теплоты передается от нагревателя с высокой температурой к холодильнику с низкой температурой. КПД идеальной тепловой машины Карно зависит исключительно от разности температур, причём в расчётах используется абсолютная термодинамическая температура . Следовательно, для паровых двигателей необходимы максимально высокая температура T 1 в начале цикла (достигаемая, например, с помощью пароперегрева ) и как можно более низкая температура T 2 в конце цикла (например, с помощью конденсатора ):
Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл) от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более. Тепловая электростанция с пароперегревателем и регенеративным водоподогревом может достичь КПД 30 — 42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать коэффициента полезного действия 50 — 60 %. На ТЭЦ эффективность повышается за счёт использования частично отработавшего пара для отопления и производственных нужд. При этом используется до 90 % энергии топлива и только 10 % рассеивается бесполезно в атмосфере.
Такие различия в эффективности происходят из-за особенностей термодинамического цикла паровых машин. Например, наибольшая отопительная нагрузка приходится на зимний период, поэтому КПД ТЭЦ зимой повышается.
Одна из причин снижения КПД в том, что средняя температура пара в конденсаторе несколько выше, чем температура окружающей среды (образуется т. н. температурный напор ). Средний температурный напор может быть уменьшен за счёт применения многоходовых конденсаторов. Повышает КПД также применение экономайзеров, регенеративных воздухоподогревателей и других средств оптимизации парового цикла.
Станцыонарные Паровые машины могут быть разделены на два типа по режиму использования:
Паровая лебёдка в сущности является стационарным двигателем, но установлена на опорной раме, чтобы её можно было перемещать. Она может быть закреплена тросом за якорь и передвинута собственной тягой на новое место.
В большинстве возвратно-поступательных паровых машин пар изменяет направление движения в каждом такте рабочего цикла, поступая в цилиндр и выходя из него через один и тот же коллектор. Полный цикл двигателя занимает один полный оборот кривошипа и состоит из четырёх фаз — впуска, расширения (рабочая фаза), выпуска и сжатия. Эти фазы контролируются клапанами в «паровой коробке», смежной с цилиндром. Клапаны управляют потоком пара, последовательно соединяя коллекторы каждой стороны рабочего цилиндра с впускным и выпускным коллектором паровой машины. Клапаны приводятся в движение клапанным механизмом какого-либо типа. Простейший клапанный механизм даёт фиксированную продолжительность рабочих фаз и обычно не имеет возможности изменять направление вращения вала машины. Большинство клапанных механизмов более совершенны, имеют механизм реверса, а также позволяют регулировать мощность и крутящий момент машины путём изменения «отсечки пара», то есть изменяя соотношение фаз впуска и расширения. Так как обычно один и тот же скользящий клапан управляет и входным и выходным потоком пара, изменение этих фаз также симметрично влияет на соотношения фаз выпуска и сжатия. И здесь существует проблема, поскольку соотношение этих фаз в идеале не должно меняться: если фаза выпуска станет слишком короткой, то большая часть отработанного пара не успеет покинуть цилиндр, и создаст существенное противодавление на фазе сжатия. В 1840-х и 1850-х годах было совершено множество попыток обойти это ограничение, в основном путём создания схем с дополнительным клапаном отсечки, установленном на основном распределительном клапане, но такие механизмы не показывали удовлетворительной работы, к тому же получались слишком дорогими и сложными. С тех пор обычным компромиссным решением стало удлинение скользящих поверхностей золотниковых клапанов с тем, чтобы впускное окно было перекрыто дольше, чем выпускное. Позже были разработаны схемы с отдельными впускными и выпускными клапанами, которые могли обеспечить практически идеальный цикл работы, но эти схемы редко применялись на практике, особенно на транспорте, из-за своей сложности и возникающих эксплуатационных проблем
Множественное расширение
Логичным развитием схемы компаунда стало добавление в неё дополнительных стадий расширения, что увеличивало эффективность работы. Результатом стала схема множественного расширения, известная как машины тройного или даже четырёхкратного расширения. Такие паровые машины использовали серии цилиндров двойного действия, объём которых увеличивался с каждой стадией. Иногда вместо увеличения объёма цилиндров низкого давления использовалось увеличение их количества, так же, как и на некоторых компаундных машинах.
Изображение справа показывает работу паровой машины с тройным расширением. Пар проходит через машину слева направо. Блок клапанов каждого цилиндра расположен слева от соответствующего цилиндра.
Появление этого типа паровых машин стало особенно актуальным для флота, поскольку требования к размеру и весу для судовых машин были не очень жёсткими, а главное, такая схема позволяла легко использовать конденсатор, возвращающий отработанный пар в виде пресной воды обратно в котёл (использовать солёную морскую воду для питания котлов было невозможно). Наземные паровые машины обычно не испытывали проблем с питанием водой и потому могли выбрасывать отработанный пар в атмосферу. Поэтому такая схема для них была менее актуальной, особенно с учётом её сложности, размера и веса. Доминирование паровых машин множественного расширения закончилось только с появлением и широким распространением паровых турбин. Однако в современных паровых т
Прямоточные паровые машины
Прямоточные паровые машины возникли в результате попытки преодолеть один недостаток, свойственный паровым машинам с традиционным парораспределением. Дело в том, что пар в обычной паровой машине постоянно меняет направление своего движения, поскольку и для впуска и для выпуска пара применяется одно и то же окно с каждой стороны цилиндра. Когда отработанный пар покидает цилиндр, он охлаждает его стенки и парораспределительные каналы. Свежий пар, соответственно, тратит определённую часть энергии на их нагревание, что приводит к падению эффективности. Прямоточные паровые машины имеют дополнительное окно, которое открывается поршнем в конце каждой фазы, и через которое пар покидает цилиндр. Это повышает эффективность машины, поскольку пар движется в одном направлении, и температурный градиент стенок цилиндра остаётся более или менее постоянным. Прямоточные машины одиночного расширения показывают примерно такую же эффективность, как компаундные машины с обычным парораспределением. Кроме того, они могут работать на более высоких оборотах, и потому до появления паровых турбин часто применялись для привода электрогенераторов, требующих высокой скорости вращения.
Прямоточные паровые машины бывают как одиночного, так и двойного действия.
Вместо привычного нам цилиндра в этой паровой машине была сфера. Полая сфера, внутри которой все и происходило.
В сфере вращался и колебался диск, на каждой из сторон которого «перекидывались» туда-сюда четвертинки шара. Как видите, на словах это объяснить невозможно, поэтому гифка:
Красные стрелки — подача свежего пара, синие — выпуск отработанного.
Валы размещались под углом 135 градусов друг к другу. Пар через отверстие в четвертинке поступал под прижатую к диску плоскость, расширялся (производя полезную работу) и после поворота четвертинки выходил через то же отверстие. Четверти, таким образом, выполняли функции клапанов подачи/удаления пара. Болтающийся диск делал то, что в обычной паровой машине делает поршень. А кривошипно-шатунного механизма не было вовсе, потому не надо было преобразовывать возвратно-поступательное движение во вращательное.
Пока по одну сторону четвертинки происходил рабочий ход (расширение пара), по другую ее сторону производился холостой ход (выпуск отработанного пара). По ту сторону диска происходило то же самое со сдвигом по фазе на 90 градусов. Из-за взаимного положения четвертинок диску придавалось вращение и колебания.
По сути, это была карданная передача с внутренним источником энергии. Зеленый диск-крестовина карданной передачи совершает такие же вращательно-колебательные движения:
Вращение передавалось на два вала, выходящие из мотора. Снимать энергию можно было с обоих, но на практике, судя по рисункам, для привода использовали один.
Как отмечал французский журнал «La Nature» 1884-го года, сферический двигатель допускал повышенные по сравнению с поршневыми собратьями скорости вращения и, следовательно, хорошо подходил в качестве привода электрогенератора.
Двигатель обладал низкими уровнями шума и вибрации и был очень компактен. Мотор с внутренним диаметром шара 10 см и частотой вращения 500 об/мин при давлении пара 3 атм выдавал 1 лошадиную силу, при 8,5 атм — 2,5 л.с. Самая же большая модель диаметром 63 см обладала мощностью в 624 «лошадки».
Но. Сферический мотор был сложен в изготовлении, требовал больших расходов пара. Он выпускался и некоторое время реально эксплуатировался в качестве привода генераторов в британском флоте и на железных дорогах Great Eastern Railway (устанавливался на паровой котел и служил для электроосвещения вагонов). Однако из-за указанных недостатков не прижился.
P.S. Необходимо заметить, что изобретатель сферического коня двигателя Бошам Тауэр (Beauchamp Tower) не пропал для инженерии.
Судя по всему, он был первым, кто наблюдал «масляный клин» в подшипниках скольжения и измерял давления в нем. Т.е. современное машиностроение пользуется исследованиями мистера Тауэра до сих пор.
Источник: