Реферат: Развитие паровой техники

Возникновениеи развитие паровой машины.

Силупара знали еще в древности (Архимед, Герон Александрийский, Леонардо да Винчи).Герон более 2 тыс. лет назад изготавливал не только игрушки, приводимые вдействие паром, но и создал паровую машину, открывавшую двери храма. Древниегреки не использовали паровые двигатели только потому, что труд рабов былдешевле, у них не было стимула совершенствовать технику.

Тольков 17 веке (1615 год) француз С. де Ко воспроизвел машину Герона: черезгерметичную крышку бака с водой выходила труба, бак ставили на огонь, водазакипала и пар поднимал воду в трубе, сколь бы она не была высока. Опытнаглядно демонстрировал силу пара.

В1663 году была запатентована и заработала машина маркиза Уорчестера: машинаимела паровой котел, от него шла труба к двум бакам с водой, при открытии кранана одной из труб вода из бака вытеснялась паром в водоподъемную трубу, в этовремя второй бак заполняли свежей порцией воды; кран на первой трубезакрывался, в котле поднималось давление, открывался второй кран и т.д.

<img src="/cache/referats/20214/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1039">
Рабочий механизмусложнился — появились баки и краны, давшие возможность управлять уже самимрабочим органом. Рабочий механизм развивается и дальше, при неизменной схемеработы остальных частей, появляются элементы автоматического действия (клапаны)и новый принцип обработки изделия — воды (всасывание вместо нагнетания).

Рис. 1. Паровая водоподъемная машина Т. Сэвери.
1 — котел, 2 — бак с водой, 3 — приемная емкость, 4 — источник воды; А, Б — клапаны.

В 1698 году английскийинженер Т.Сэвери получил патент на паровую водоподъемную машину (откачка водыиз шахт), в которой, в отличие от машины Уорчестера, в водоподъемной трубе былиустановлены клапаны (рис. 1). Вентиль на паровом котле открывался, пар вытеснялвоздух из 2, при этом клапан А открывался (клапан Б закрыт) и вода попадала в3. Потом 2 охлаждался водой, в нем резко падало давление, образовывался вакуум,подсасывалась вода из 4 через клапан Б (А закрыт) и цикл повторялся. Модельмашины с успехом демонстрировалась Королевскому обществу.

В 1705 году был выдан патенткузнецу и железоторговцу Т.Ньюкомену на водоподъемную машину, в которой впервыеиспользовались цилиндры с поршнем (рис. 2).

Рис. 2. Паровая машина Ньюкомена.
1 — насос, 2 — источник воды, 3 — емкость, 4 — коромысло, 5 — рабочий цилиндр,6 — емкость с водой, 7 — котел; A,B, — клапаны, C,D — краны.

Поршеньнасоса 1 под действием собственного веса опускался вниз, вода из цилиндравытеснялась в емкость 3 (В открыт, А закрыт). В это время рабочий цилиндр 5 былзаполнен паром, поступившим из парового котла 7 (D открыт, С закрыт). Коромысло4 наклонялось влево, толкало поршень насоса 1. Затем рабочий цилиндр охлаждалсяводой снаружи (после усовершенствования впрыскивал воду в цилиндр) пар в 5конденсировался и давление падало ниже атмосферного. Впрыск воды из емкости 6,открывал кран С. В 5 образовывался вакуум и поршень под действием атмосферногодавления опускался вниз, коромысло 4 поворачивалось вправо, поршень насоса 1поднимался, клапан А открывался, цилиндр насоса заполнялся водой из 2. Циклповторялся. Машина поэтому называлась атмосферной.

Ужек 1770 году на севере Англии работало около 100 машин, а к 1780 году наКорнуэльских оловянных рудниках (юго-запад Англии) работало не менее 70 машин.

Приработе машины требовалось открывать и закрывать краны, подающие в цилиндр топар (D), то воду (С). Один из мальчиков, приставленных к такой машине, ГемфриПоттер, открыл эпоху автоматических машин: он связал краны с коромысломверевкой и они стали сами открываться и закрываться…

<img src="/cache/referats/20214/image005.jpg" v:shapes="_x0000_s1041">
Вытеснение человека изтехники продолжалось и далее.

Рис. 3. Универсальная паровая машина Ползунова.
1 — двухцилиндровый двигатель, 2 — воздуходувные меха, 3 — аккумулятордавления, 4 — сжатый воздух, поступающий в плавильные печи по трубам.

<img src="/cache/referats/20214/image007.jpg" v:shapes="_x0000_s1042">
В 1763 году И.И.Ползунов, после знакомства с работами Сэвери и Ньюкомена, разработал проектпервой в мире универсальной паровой машины, мощность 1,8 л.с. (рис. 3). Вотличие от машины Ньюкомена, которая не могла непрерывно производить работу ииспользовалась поэтому для привода орудий прерывного действия (например,водооткачивающих насосов), машина Ползунова могла производить работунепрерывно, то есть была спроектирована как универсальная. Им были примененыдва цилиндра (би-система), поршни которых поочередно передавали работу на общийвал. Впервые выдвинутый Ползуновым принцип сложения работы нескольких цилиндровна одном валу нашел в дальнейшем широкое применение (в том числе в ДВС).Ползунов также разработал специальное автоматическое устройство, производящеераспределение пара и воды (позиции 6,7 на рис. 4).

Рис. 4. Схема воздуходувной установки Ползунова.
1 — цилиндр, 2 — 3 — балансиры, 4 — 5 — малые полубалансиры, 6 — 7 — пароводораспределительный механизм, 8 — полубалансир, 9 — насос, 10 — воздухонагнетательныемеха, 11 — коллектор, 12 — аккумулятор.

ДжеймсУатт открыл мастерскую по ремонту различных приборов, изучал свойства воды иводяного пара, определил опытным путем зависимость между давлением итемпературой насыщенного водяного пара. В 1764 году ему принесли для ремонтамодель машины Ньюкомена. Внимательно изучив машину, он правильно определилбольшой ее недостаток: из-за впрыскивания воды для конденсации пара цилиндрмашины сильно охлаждался, а при подаче в него пара его необходимо было снованагревать (большой расход тепла и топлива). Уатт сделал два важныхусовершенствования:

·

конденсатор пара 5 (пар конденсировался не в цилиндре, а вконденсаторе),

·

паровая рубашка 2 вокруг цилиндра (рис. 5).

<img src="/cache/referats/20214/image009.jpg" v:shapes="_x0000_s1043">
Это существенноповысило КПД машины.

Рис. 5. Схема машины Д.Уатта.
1, 2, 6, 8 — клапаны, 3 — насос, 4 — емкость с водой, 5 — конденсатор пара, 7 — паровая рубашка, 9 — котел.

Насоснаяпаровая машина Уатта оказалась такой удачной, что если в 1778 году наКорнуэльском руднике было 70 машин Ньюкомена, то к 1790 году все они, кромеодной, были заменены машинами Уатта (пат. 1769 года).

Областьприменения паровых машин расширялась, большие заказы поступали со стороныразвивающейся текстильной промышленности, требовались универсальные двигателидля привода вращающихся станков.

Патентна универсальный паровой двигатель Уатт получил в 1781 году. Он разработал исоздал паровую машину с цилиндрами двойного действия, разработал центробежныйрегулятор и индикатор. Начал применяться давно известный кривошипно-шатунныймеханизм.

Через20 лет усовершенствований Уатт избавился от холостого хода: закрыл цилиндркрышкой с сальником, теперь можно было подавать пар поочередно по обе стороныпоршня — появилась машина непрерывного действия. В паровую рубашку подавалсяотработанный пар, создавалась теплозащитная оболочка. В конденсаторе паротдавал тепло холодной воде, которая поступала в котел. Для управления подачейпара Уатт изобрел золотник, заменивший систему кранов: он перемещался поршнеммашины посредством специальных тяг. Центробежный регулятор был необходим дляперемещения заслонки в паропроводе, это нужно для поддержания постояннойскорости машины (несмотря на изменение нагрузки и давление пара в котле).

Машины с паровымидвигателями (паромобили)

Продолжая дело своих предшественников, русскиеизобретатели поставили перед собой задачу соединения колесной тележки смеханическим двигателем, то есть создание самодвижущегося экипажа длябезрельсовой дороги. Так, на основе разработок паровых двигателей И.И.Ползунова,П.К.Фролова, Е.А. и М.Е.Черепановых в 1830 г. русский лафетный мастер К.Янкевич со своими двумя товарищами-механиками вплотную подошел к созданиюколесного самоходного экипажа с паровым двигателем.

“Быстрокат”,так было названо это изобретение, должен был развивать скорость до 30 верст вчас, иметь способность быстрого торможения, ускорения и замедления хода.Принципиальной особенностью быстроката являлся паровой котел, состоявший из 120трубок и использовавший в качестве топлива древесный уголь (по замысламизобретателей — сосновый). Предполагалось, что эта машина может бытьиспользована как на летнем (колесном), так и на зимнем (с полозьями) ходах. Вконструкции быстроката были предусмотрены также места для пассажиров иводителя, расположенные в крытой повозке, отапливаемой посредством системытепловых трубок.

Конструктивнаяособенность быстроката Янкевича заключалась еще и в оригинальном оформлениисвязи между корпусом повозки и ее задней осью. Изобретатель отошел отобщепринятого способа расположения оси под корпусом: он пропустил ось непосредственночерез корпус, что сместило центр тяжести повозки и существенно повысило ееустойчивость против опрокидывания.

Исследования вобласти развития парового двигателя проводились и в более поздний период, направленыони были главным образом на применение паровых котлов в транспорте, предназначенномдля перевозки грузов. В монографии, изданной в Санкт-Петербурге в 1898 г. “Оприменении автомобилей в перевозке пассажиров и тяжестей”, говорится о том, чтопервые опыты использования паромобилей для перевозки грузов имели место вРоссии еще в 1872 г., когда в Стрельце под Петербургом испытывался “сухопутныйпароход”, доставленный из Шотландии. 16 (28) июля 1872 г. государственнымиорганами была выдана первая лицензия петербургским механикам Орловскому иКемпте на перевозку тяжестей посредством паромобиля, что подтверждаетсядокументом, хранящимся в Центральном государственном историческом архиве.

Однако работы русскихтехников по созданию колесного самохода с механическим двигателем показали, чтогромоздкие и тяжелые паровые установки не позволяют получить компактную и простую машину. По-прежнемустояла задача создания легкого и мощного двигателя, который в конце XIXвекастал необходим не только колесному транспорту, но и зарождавшемуся самолетостроению.

Паросиловая станция.Раньше всего (в конце XVIIIвека) были созданы паровыепоршневые двигатели (паровые машины). Спустя примерно 100 лет появилисьпаровые турбины. Как показывает название, работа этих двигателей производитсяпосредством пара. В огромном большинстве случаев — это водяной пар, новозможны машины, работающие с парами других веществ (например, ртути). Паровыетурбины ставятся на мощных электрических станциях и на больших кораблях.Поршневые двигатели в настоящее время находят применение только вжелезнодорожном и водном транспорте (паровозы и пароходы).

Для работыпарового двигателя необходим ряд вспомогательных машин и устройств. Все этохозяйство вместе носит название паросиловойстанции. На паросиловой станции все время циркулирует одна и та же вода.

Схема оборудованияпаросиловой станции

Она превращаетсяв пар в котле, пар производит работу в турбине (или в поршневой машине) и сновапревращается в воду в барабане, охлаждаемом проточной водой (конденсатор). Изконденсатора получившаяся вода посредством насоса через сборный, бак (сборник)снова направляется в котел. Итак, круговорот воды происходит по следующейсхеме:

В этой схемепаровой котел является нагревателем, а конденсатор — холодильником. Так как вустановке циркулирует практически одна и та же вода (утечка пара невелика идобавлять воды почти не приходится), то в котле почти не получается накипи, т.е. осаждения растворенных в воде солей. Это важно, так как накипь плохо проводиттепло и уменьшает коэффициент полезного действия котла. В случае появлениянакипи на стенках котла ее удаляют. В следующих параграфах мы рассмотрим частипаросиловой станции по отдельности.

Паровой котел.Он состоит из топки и собственно котла. Уголь или дровасжигаются в топке на колосниковых решетках. Жидкое топливо сжигается враспыленном состоянии; распыление обычно производится с помощью пара вфорсунках. Пар или сжатый воздух, вырываясь из узкого отверстия в трубке,засасывает жидкое топливо и разбрызгивает его.

Схема устройства форсунки

<img src="/cache/referats/20214/image017.jpg" v:shapes="_x0000_s1045">
Котелсостоит из барабана и труб, через стенки которых теплота от горячих топочныхгазов передается воде. Иногда вода находится снаружи труб, а по трубам идуттопочные газы (огнетрубный котел, дымогарные трубы). Иногда, наоборот, воданаходится внутри труб, а горячие газы омывают их (водотрубный котел). Вомногих паровых котлах пар подвергается перегреванию в особых

Схема устройства водотрубного котла: 1 — барабан котла, 2 — водотрубнаячасть, 3 — водомерное стекло, 4 — перегреватель, 5 — труба для подачи воды вкотел, 6 — поддувало, 7 — предохранительный клапан, 8 — заслонка в борове

змеевиках,омываемых горячими газами. При этом он из насыщенного делается ненасыщенным.Этим достигается уменьшение конденсации пара (на стенках паропроводов и втурбине) и повышается КПД станции.

На котле имеются манометр для наблюдения за давлением пара ипредохранительный клапан, выпускающий пар в случае, если давление его превыситдопустимую величину. На днище барабана имеются приспособления для наблюдения зауровнем воды в котле (водомерное стекло). Если уровень воды опуститсянастолько, что пламя будет нагревать стенки котла в тех местах, где они не соприкасаютсяс водой, то возможен взрыв котла.

Энергия горячихтопочных газов передается воде в котле не целиком. Часть ее рассеивается вкотельной, часть уносится с газами в дымовую трубу. Кроме того, значительнуюпотерю может дать неполное сгорание топлива. Признаком этого является черныйдым из труб станции. Черный цвет придается дыму крупинками несгоревшего угля.

<img src="/cache/referats/20214/image019.jpg" v:shapes="_x0000_s1046">
Паровая турбина.Из котла пар по паропроводу поступает в турбину или впоршневую машину. Рассмотрим сначала турбину (а). Турбина состоит из стальногоцилиндра, внутри которого находится вал еес укрепленными на нем рабочими колесами. На рабочих колесах находятсяособые изогнутые лопатки (б и с), где изображено одно из рабочих колес ссоплом). Между рабочими колесами помещаются сопла или направляющие лопатки.Пар, вырываясь из промежутков между направляющими лопатками, попадает налопатки рабочего колеса. Рабочее колесо при этом вращается, производя работу.Причиной вращения колеса в паровой турбине является реакция струи пара. Внутритурбины пар расширяется и охлаждается. Входя в турбину по узкому паропроводу,он выходит из нее по очень широкой трубе (а).Отметим, что турбина может вращаться только в одном направлении и скоростьвращения ее не может меняться в широких пределах. Это затрудняет применениепаровых турбин на транспорте, но очень удобно для вращения электрическихгенераторов.

Лопатки на рабочем колесе паровой турбины

<img src="/cache/referats/20214/image021.jpg" v:shapes="_x0000_s1047">
а) Схема устройства паровой турбины,

б) Расположение на валу еетурбины лопаток: а — направляющих, b—рабочих

Весьма важной для электрических станций являетсявозможность строить турбины на громадные мощности (до 1 000 000 кВт и более),значительно превышающие максимальные мощности других типов тепловых двигателей.Это обусловлено равномерностью вращения вала турбины. При работе турбиныотсутствуют толчки, которые получаются в поршневых машинах при движении поршнявзад и вперед.

Поршневая паровая машина.Основы конструкции поршневой паровой машины, изобретенной вконце XVIIIвека, в основном сохранились до нашихдней. В свое время паровая машина дала технике, до того почти не знавшеймашин-двигателей, новое мощное средство развития. В настоящее время оначастично вытеснена другими типами двигателей. Однако у нее есть своидостоинства, заставляющие иногда предпочесть ее турбине. Это — простотаобращения с ней, возможность менять скорость и давать задний ход.

Устройствопаровой машины показано на рисунке. Основная ее часть — чугунный цилиндр 1, вкотором ходит поршень 2. Рядом сцилиндром расположен парораспределительный механизм. Он состоит иззолотниковой коробки, имеющей сообщение с паровым котлом. Кроме котла, коробкапосредством отверстия 3 сообщается сконденсатором (в паровозах чаще всего просто через дымовую трубу — сатмосферой) и с цилиндром посредством двух окон 4 и 5. В коробке находится золотник 6, движимый специальным механизмом посредством тяги 7 так, что,когда поршень движется направо (рис. а), левая часть цилиндра через окно 4 сообщается с паровым котлом, а правая— через окно 5 с атмосферой. Свежийпар входит в цилиндр слева, а отработанный пар из правой части цилиндра уходитв атмосферу. Затем, когда поршень движется налево (рис. б), золотник передвигается так, что свежий пар входит в правуючасть цилиндра, а отработанный пар из левой части уходит в атмосферу. Парподается в цилиндр не во все время хода поршня, а только в начале его. Послеэтого благодаря особой форме золотника пар отсекается (перестает подаваться вцилиндр) и работа производится расширяющимся и охлаждающимся паром. Отсечкапара дает большую экономию энергии. На паровозах обычно установлены двацилиндра (иногда больше). Пар поступает сначала в один цилиндр, а затем вовторой. Так как пар в первом цилиндре расширяется, то диаметр второго цилиндразначительно больше первого. На паровозах, как правило, ставятся огнетрубныекотлы; имеется пароперегреватель.

<img src="/cache/referats/20214/image023.jpg" v:shapes="_x0000_s1050">
Устройство цилиндра изолотниковой коробки паровой машины а) Пар входит в цилиндр слева б) Парвходит в цилиндр справа

В конце IXи начале XXвека строилипаровозы, выпускающие пар в атмосферу. Впоследствии на паровозах ставили конденсаторы,и пар в них циркулировал так же, как и в паросиловой станции.

<img src="/cache/referats/20214/image025.jpg" v:shapes="_x0000_s1051">
Конденсатор.Как былоуказано ранее, после турбины или поршневой машины пар поступает в конденсатор,играющий роль холодильника. В конденсаторе пары должны превратиться в воду. Нопар конденсируется в воду только в том случае, если отводится выделяющаяся приконденсации теплота

Схема поверхностного конденсатора

испарения. Этоделают при помощи холодной воды. Например, конденсатор может быть устроен ввиде барабана, внутри которогорасположены трубы с проточной холодной водой.

Отработанный пар проходит мимо труб, по которым протекает холоднаявода. Пар конденсируется. Получившийся конденсат отсасывается от конденсаторапо трубе, показанной снизу. В конденсаторах давление пара обычно значительнониже атмосферного (0,02—0,03 атм). Воду, получившуюся из пара (конденсат), ивоздух, проникший вместе с ней, откачивают из конденсатора особым насосом.

Применение паровых турбин в наши дни

В наши дни паровые машины широко применяются на паровозах и в отдельных промышленных установках. Однако на крупнейших фабриках энергии - на тепловых электрических станциях, мощность которых составляет многие тысячи киловатт, - вкачестве двигателей применяются непоршневые паровые машины, а паровые турбины.

В паровой турбине используется энергия струи пара, который действует не на поршень, заставляя его двигаться взад и вперед, а на лопатки, вращающиевал двигателя.

Вырываясь с огромной скоростью, достигающей скорости распространения звука (свыше 300 метров в секунду), струя пара проходит между чередующимися рядами вращающихся и неподвижных лопаток такой турбины. Подвижные лопатки укреплены на дисках, насажанных на валтурбины.

Обтекание лопаток стремительной струей пара заставляет вращаться диск и соответственно вал турбины.

Неподвижные лопатки, укрепленные на кожухе турбины, направляют струю пара от одного ряда подвижных дисковых лопаток к другому. Таким образом, пар, проходя через турбину, отдает свою энергию на вращение вала турбины. В современных паровых турбинах, совершая много тысяч оборотов в минуту, вал вращается с исключительной плавностью. Этого не может обеспечить никакая обычная паровая машина, в которой возвратно-поступательноедвижение поршней преобразуется во вращение маховика.

Изобретение паровой турбины явилось событием исключительной важности. Оно дало новое, чрезвычайно плодотворное направление развитиютехники использования пара.

И действительно, если требовалось увеличить мощность паровой машины, увеличивали ее размеры.

В некоторых случаях паровые машины достигали непомерной величины. А паровая турбина той же мощности была во много раз меньше.

Быстроходность паровой турбины позволяла сочетать ее с электрическими генераторами, которые при высоких скоростях вращения можно было строить относительно небольших размеров.

Идея создания паровой турбины увлекла многих русских изобретателей.

На Алтае, явившемся колыбелью ползуновского парового двигателя, на Сузунском заводе в начале прошлого века работал замечательный «огневыхдел» мастер Поликарп Михайлович Залесов.

На протяжении ряда лет он,занимаясь паровыми машинами и исследуя работу пара, пришел к мысли построитьпаровой двигатель иного типа.

С 1806 по 1813 год Залесов соорудил не одну модель паровой турбины на заводе, где он работал.

Материалы, хранящиеся в алтайских архивах, убедительно подтверждают успех талантливогорусского мастера, имя которого, как и десятки имен других талантливейших русских изобретателей, было длительное время предано забвению.

Строителем турбин был и другой изобретатель, Павел Дмитриевич Кузьминский (1849 — 1900).

Работая в области судостроения и воздухоплавания, П. Д. Кузьминский пришел к выводу о нецелесообразности использования паровой машиныпоршневого типа в качестве судового двигателя.

Он писал: «Существующий тип паровых машин, при которых нет возможности получать такие огромные скорости вращения движителя… должен отойти... На место него явится тип быстро вращающихся турбинныхдвигателей».

В начале девяностых годов Кузьминский построил и опробовал судовую паровую турбину своей конструкции.

Она имела исключительно малый удельный вес - всего лишь 15 килограммов на лошадиную силу мощности.

Кузьминский прекрасно понимал всю трудность технического творчества в условиях, когда отечественные открытия предавались забвению.

С волнением писал он о новых временах, которые должны наступить, о временах «… когда открытия и изобретения русского творческого ума и настойчивого труда» будут находить достойное применение.

Основные задачи турбостроении в раннем периоде развития этой техники успешно решали шведский инженер Лаваль и английский изобретатель Парсонс; с их именами связывается создание паровой турбины.

Список использованной литературы:

1. Куприн Е., Рубец А. Российскому автомобильномутранспорту — 100 лет // Автомобильный транспорт. 1996. № 10.

2. Гордиенко М.П., Смирнов Л.М. От повозки до автомобиля.Алма-Ата 1990

3. Мелещенко Ю. С. Техника и закономерности ее развития.Лениздат, 1970г.

4. Волков Г. Н. Истоки и горизонты прогресса. М.:Политиздат 1976 г.

5. www.trizminsk.org/e/21101200.htm#236

Министерство образования РоссийскойФедерацииНовгородскийгосударственный университетКафедра«Радиосистем»Развитие паровойтехники.Рефератпо дисциплине «Историянауки и техники» Преподаватель:

Сочилин А.В.

“18“ октября 2004 г.

Студент Гр. 3011

Волков А. П.

“18“ октября 2004 г.

Содержаниереферата:

1.

Возникновение и развитиепаровой машины: ……………………………1

А) Паровая водоподъёмнаямашина Т. Сэвери …………………………. –

Б) Паровая машинаНьюкомена …………………………………………… 2

В) Универсальная пароваямашина Ползунова …………………………. 3

Г) Паровая машина Д. Уатта………………………………………………4