|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
HISTORIA TECHNOLOGII, TECHNOLOGII, OBIEKTÓW WOKÓŁ NAS
Silnik parowy. Historia wynalazku i produkcji
Katalog / Historia technologii, technologii, przedmiotów wokół nas Silnik parowy to silnik cieplny o spalaniu zewnętrznym, który zamienia energię pary wodnej na pracę mechaniczną ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka, a następnie na ruch obrotowy wału. W szerszym znaczeniu silnik parowy to dowolny silnik spalinowy, który przekształca energię pary w pracę mechaniczną. Pierwsza maszyna parowa została zbudowana w XVII wieku. Papen przedstawiał cylinder z tłokiem, który unosił się pod działaniem pary i opuszczał pod wpływem ciśnienia atmosferycznego po zagęszczeniu pary wylotowej. Na tej samej zasadzie silniki parowe Savery'ego i Newcomena zostały zbudowane w 1705 roku do wypompowywania wody z kopalń. Ostatecznych ulepszeń w silniku parowym dokonał Watt (Watt) w 1769 roku.
Do drugiej połowy XVIII wieku do produkcji wykorzystywano głównie silniki wodne. Ponieważ niemożliwe jest przenoszenie ruchu mechanicznego z koła wodnego na duże odległości, wszystkie fabryki musiały być budowane nad brzegami rzek, co nie zawsze było wygodne. Ponadto dla sprawnej pracy takiego silnika często wymagane były kosztowne prace przygotowawcze (zagospodarowanie stawów, budowa zapór itp.). Koła wodne miały też inne wady: miały małą moc, ich praca zależała od pory roku i była trudna do regulacji. Stopniowo dotkliwie odczuwano potrzebę zupełnie nowego silnika: mocnego, taniego, autonomicznego i łatwego w obsłudze. Silnik parowy stał się takim silnikiem na całe stulecie. Pomysł silnika parowego został częściowo podsunięty jego wynalazcom przez konstrukcję tłokowej pompy wodnej, która była znana w starożytności. Zasada jego działania była bardzo prosta: gdy tłok podnosił się do góry, woda była zasysana do cylindra przez zawór w jego dnie. Zawór boczny łączący butlę z rurą podnoszącą wodę był w tym czasie zamknięty, ponieważ woda z tej rury również miała tendencję do wchodzenia do butli i tym samym zamykała ten zawór. Gdy tłok został opuszczony, zaczął wywierać ciśnienie na wodę w cylindrze, dzięki czemu dolny zawór się zamknął, a zawór boczny otworzył. W tym czasie woda z butli była doprowadzana do rury wznośnej. W pompie tłokowej praca otrzymana z zewnątrz została poświęcona na przemieszczenie płynu przez cylinder pompy. Wynalazcy silnika parowego próbowali zastosować tę samą konstrukcję, ale tylko w przeciwnym kierunku. Tłokowo-cylindrowy jest podstawą wszystkich tłokowych silników parowych.
Pierwsze lokomotywy parowe były jednak nie tyle lokomotywami, ile pompami parowymi służącymi do pompowania wody z kopalń głębinowych. Zasada ich działania polegała na tym, że para po schłodzeniu i skropleniu do wody zajmowała 170 razy mniej miejsca niż w stanie ogrzanym. Jeśli wypchniesz powietrze z naczynia podgrzaną parą, zamknij je, a następnie ochłodź parę, ciśnienie wewnątrz naczynia będzie znacznie mniejsze niż na zewnątrz. Zewnętrzne ciśnienie atmosferyczne spręży takie naczynie, a jeśli zostanie w nim umieszczony tłok, będzie on poruszał się do wewnątrz z większą siłą, im większa jest jego powierzchnia. Po raz pierwszy model takiej maszyny zaproponował w 1690 roku Papin. W 1702 stworzył własną pompę Severi. Ale najszerzej stosowana w pierwszej połowie XVIII wieku była maszyna parowa Newcomen, stworzona w 1711 roku.
Cylinder parowy został umieszczony w Newcomen nad kotłem parowym. Tłoczysko (pręt połączony z tłokiem) było połączone elastycznym łącznikiem z końcem drążka równoważącego. Pręt pompy był połączony z drugim końcem wyważarki. Tłok uniósł się do górnej pozycji pod działaniem przeciwwagi przymocowanej do przeciwległego końca drążka równoważącego. Ponadto ruch tłoka w górę był wspomagany przez parę wpuszczaną w tym czasie do cylindra. Gdy tłok znajdował się w najwyższym położeniu, zawór został zamknięty, co pozwoliło parze z kotła do cylindra, a woda została wtryśnięta do cylindra. Pod wpływem tej wody para w cylindrze szybko ostygła, skondensowała się, a ciśnienie w cylindrze spadło. Dzięki wytworzonej różnicy ciśnień wewnątrz cylindra i na zewnątrz, siła ciśnienia atmosferycznego przesuwała tłok w dół, wykonując jednocześnie użyteczną pracę - wprawiała w ruch balanser, który poruszał tłoczyskiem pompy. Zatem użyteczna praca była wykonywana tylko wtedy, gdy tłok poruszał się w dół. Następnie do cylindra ponownie wprowadzono parę. Tłok ponownie się uniósł, a cały cylinder wypełnił się parą. Kiedy woda znów się rozprysnęła, para ponownie się skondensowała, po czym tłok wykonał kolejny użyteczny ruch w dół i tak dalej. W rzeczywistości w maszynie Newcomena pracowało ciśnienie atmosferyczne, a para służyła jedynie do stworzenia rozrzedzonej przestrzeni.
W świetle dalszego rozwoju silnika parowego, główna wada maszyny Newcomena staje się jasna – pracujący w niej cylinder był jednocześnie skraplaczem. Z tego powodu konieczne było naprzemienne chłodzenie, a następnie podgrzewanie cylindra, a zużycie paliwa okazało się bardzo duże. Zdarzały się przypadki, że z autem było 50 koni, ledwo zdążyły dostarczyć niezbędne paliwo. Współczynnik wydajności (COP) tej maszyny prawie nie przekroczył 1%. Innymi słowy, 99% całej energii kalorycznej zostało bezowocnie zmarnowane. Mimo to maszyna ta była szeroko rozpowszechniona w Anglii, zwłaszcza w kopalniach, gdzie węgiel był tani. Kolejni wynalazcy wprowadzili kilka ulepszeń do pompy Newcomen. W szczególności w 1718 roku Bayton wymyślił samoczynny mechanizm rozprowadzający, który automatycznie włączał lub wyłączał parę i wpuszczał wodę. Dodał też zawór bezpieczeństwa do kotła parowego. Ale koncepcja maszyny Newcomena pozostała niezmieniona przez 50 lat, dopóki James Watt, mechanik z Uniwersytetu w Glasgow, nie zajął się jej ulepszaniem. W latach 1763-1764 musiał naprawić próbną maszynę Newcomena należącą do uniwersytetu. Watt wykonał mały model i zaczął badać jego działanie. Jednocześnie mógł korzystać z niektórych instrumentów należących do uczelni, a także korzystać z rad profesorów. Wszystko to pozwoliło mu spojrzeć na problem szerzej niż wielu mechaników przed nim i był w stanie stworzyć znacznie bardziej zaawansowany silnik parowy.
Pracując z modelem, Watt odkrył, że gdy para została wprowadzona do schłodzonego cylindra, skraplała się w znacznych ilościach na jego ścianach. Dla Watta natychmiast stało się jasne, że dla bardziej ekonomicznej pracy silnika bardziej celowe jest ciągłe podgrzewanie cylindra. Ale jak w tym przypadku skondensować parę? Przez kilka tygodni zastanawiał się, jak rozwiązać ten problem, aż w końcu zdał sobie sprawę, że chłodzenie pary powinno odbywać się w osobnym cylindrze podłączonym do głównej krótkiej rurki. Sam Watt wspominał, że kiedyś podczas wieczornego spaceru mijał pralnię, a potem, na widok kłębów pary ulatniającej się z okna, domyślił się, że para będąc elastycznym ciałem powinna rzucić się w rozrzedzone miejsce. Właśnie wtedy przyszedł mu do głowy pomysł, aby maszynę Newcomena uzupełnić o osobne naczynie do kondensacji pary. Prosta pompa, napędzana przez samą maszynę, mogła usuwać powietrze i wodę ze skraplacza, dzięki czemu przy każdym skoku maszyny mogła powstać tam przestrzeń odprowadzana.
Następnie Watt wprowadził kilka kolejnych ulepszeń, w wyniku których maszyna przybrała następującą formę. Po obu stronach cylindra połączono rurki: przez dolną para wchodziła z kotła parowego, a przez górną była odprowadzana do skraplacza. Skraplacz składał się z dwóch blaszanych rurek ustawionych pionowo i połączonych ze sobą u góry krótką rurką poziomą z otworem zablokowanym kranem. Dno tych rurek było połączone z trzecią pionową rurką, która służyła jako pompa wylotowa powietrza. Rurki składające się na lodówkę i pompkę powietrza umieszczono w małym cylindrze z zimną wodą. Rura parowa była podłączona do kotła, z którego para była uwalniana do cylindra. Gdy para napełniła cylinder, zawór pary został zamknięty, a tłok pompy powietrza skraplacza został podniesiony, w wyniku czego w rurkach skraplacza uzyskano przestrzeń o wysokim rozładowaniu. Para wpadała do rurek i tam skraplała się, a tłok unosił się, ciągnąc za sobą ładunek (tak mierzono użyteczną pracę tłoka). Następnie kurek wylotowy został zamknięty. W 1768 roku na bazie tego modelu w kopalni Rebuka zbudowano dużą maszynę Watta, na której wynalazek otrzymał swój pierwszy patent w 1769 roku. Najważniejszym i najważniejszym w jego wynalazku było oddzielenie cylindra parowego i skraplacza, dzięki czemu energia nie była wydatkowana na ciągłe nagrzewanie cylindra. Samochód stał się bardziej ekonomiczny. Jego wydajność wzrosła. Przez kilka następnych lat Watt ciężko pracował nad ulepszeniem swojego silnika. Jednocześnie musiał pokonać wiele trudności, zarówno finansowych, jak i technicznych. Wszedł w spółkę z właścicielem zakładu obróbki metali Boltonem, który zapewnił mu pieniądze. Były też inne problemy: silnik wymagał szczelności i precyzyjnego dopasowania części do siebie. Tłok i cylinder musiały być idealnie zwymiarowane, aby zapobiec ulatnianiu się pary. Taka dokładność była nowością w ówczesnej inżynierii mechanicznej, nie było nawet niezbędnych precyzyjnych maszyn. Podcięcie cylindrów o dużej średnicy wydawało się prawie nierozwiązywalnym problemem. W rezultacie pierwsze maszyny Watta działały niezadowalająco: para uciekała z cylindra, skraplacze nie działały dobrze, para świszcząca przez otwór, w którym poruszało się tłoczysko, przeciekała między ściankami tłoka i cylindra. Musiałem stworzyć specjalne maszyny do wytaczania cylindrów. (Ogólnie rzecz biorąc, stworzenie silnika parowego zapoczątkowało prawdziwą rewolucję w budowie obrabiarek - aby opanować produkcję silników parowych, inżynieria mechaniczna musiała wznieść się na jakościowo wyższy poziom.) Ostatecznie wszystkie trudności zostały przezwyciężone , a od 1776 r. rozpoczęto fabryczną produkcję maszyn parowych. W maszynie z 1776 roku wprowadzono kilka zasadniczych ulepszeń w porównaniu z projektem z 1765 roku. Tłok został umieszczony wewnątrz cylindra, otoczony płaszczem parowym (płaszczem). Dzięki temu straty ciepła zostały zredukowane do minimum. Obudowa została zamknięta od góry, podczas gdy cylinder był otwarty. Para wchodziła do cylindra z kotła przez boczną rurę. Cylinder był połączony ze skraplaczem przewodem wyposażonym w zawór wylotowy pary. Nieco powyżej tego zaworu i bliżej cylindra umieszczono drugi zawór równoważący. Gdy oba zawory były otwarte, para uwalniana z kotła wypełniała całą przestrzeń nad i pod tłokiem, wtłaczając powietrze rurą do skraplacza. Kiedy zawory zostały zamknięte, cały system nadal pozostawał w równowadze. Następnie otwarto dolny zawór wylotowy, oddzielając przestrzeń pod tłokiem od skraplacza. Para z tej przestrzeni była przesyłana do skraplacza, tu chłodzona i skondensowana. W tym przypadku pod tłokiem powstała rozrzedzona przestrzeń i ciśnienie spadło. Z góry para wydobywająca się z kotła nadal wywierała ciśnienie. Pod jego działaniem tłok opadł i wykonał użyteczną pracę, która została przeniesiona na tłoczysko pompy za pomocą balansera. Po opadnięciu tłoka do najniższego położenia otworzył się górny zawór równoważący. Para ponownie wypełniła przestrzeń nad i pod tłokiem. Ciśnienie w butli było zrównoważone. Pod działaniem przeciwwagi znajdującej się na końcu drążka równoważącego tłok swobodnie unosił się (bez wykonywania żadnej użytecznej pracy). Następnie cały proces przebiegał w tej samej kolejności. Chociaż ta maszyna Watta, podobnie jak silnik Newcomena, pozostała jednokierunkowa, miała już istotną różnicę - jeśli pracę Newcomena wykonywało ciśnienie atmosferyczne, to para zrobiła to za Watta. Dzięki zwiększeniu ciśnienia pary udało się zwiększyć moc silnika i tym samym wpłynąć na jego pracę. Nie wyeliminowało to jednak głównej wady tego typu maszyn - wykonywały one tylko jeden ruch roboczy, działały szarpnięcia i dlatego mogły być używane tylko jako pompy. W latach 1775-1785 zbudowano 66 takich parowozów. Aby maszyna parowa mogła napędzać inne maszyny, konieczne było stworzenie jednostajnego ruchu okrężnego. Zasadnicza różnica między taką maszyną polegała na tym, że tłok musiał wykonywać dwa ruchy robocze - zarówno do przodu, jak i do tyłu. Taki silnik dwustronnego działania został opracowany przez Watta w 1782 roku. Para tutaj wypuszczana była najpierw z jednej strony, potem z drugiej strony tłoka, a przestrzeń po przeciwnej stronie wlotu pary była każdorazowo podłączona do skraplacza. Problem ten został rozwiązany za pomocą pomysłowego systemu rur wylotowych, zamykanych i otwieranych za pomocą szpuli.
Szpula była zaworem, który poruszał się przed dwoma otworami, aby przepuszczać parę. Z każdym skokiem zaworu w jedną lub drugą stronę otwierał się jeden otwór, a drugi zamykał, w wyniku czego zmieniała się droga, po której może przepływać para. Ruch szpuli miał złożony charakter w każdej skrajnej pozycji, gdy jeden otwór był otwarty, a drugi zamknięty, musiała się zatrzymać na chwilę, aby pominąć część pary i przejść do środkowej pozycji tak szybko, jak możliwy. Ruch szpuli kontrolowany był przez specjalny mechanizm umieszczony na wale. Główną rolę odgrywał w nim ekscentryk.
Ekscentryczny, wynaleziony przez Watta, składał się z płyty o specjalnym kształcie, umieszczonej na osi znajdującej się nie pośrodku tej płyty, ale w pewnej odległości od niej. Przy takim mocowaniu po jednej stronie osi było więcej płyty niż po drugiej. Sama płytka była otoczona pierścieniem, do którego przymocowano pręt, aby poruszać szpulą. Podczas obracania się płytki jej okrągłość stale naciskała na nowy punkt wewnątrz powierzchni pierścienia i szerszym bokiem wprawiała go w ruch. Wraz z każdym obrotem wałka następował jeden skok szpuli. Charakter obrotu pierścienia (i odpowiednio ruch ciągu) zależał od kształtu płyty włożonej w mimośród. Poprzez obliczenia wybrano taką formę, która podczas jednego obrotu powodowała albo przyspieszenie, albo spowolnienie, albo zatrzymanie szpuli. Wraz z wprowadzeniem tego urządzenia Watt zautomatyzował działanie swojej maszyny. Początkowo pracę silnika obserwował pracownik, którego zadaniem było regulowanie dopływu pary. Jeśli silnik zaczął dawać zbyt duże obroty, zablokował lancę parową specjalnym tłumikiem i tym samym obniżył ciśnienie pary. Następnie ta funkcja została przypisana do specjalnego regulatora odśrodkowego, ułożonego w następujący sposób. Ruch wału roboczego był przenoszony na koło pasowe regulatora. Gdy ten ostatni zaczął się zbyt szybko obracać (a tym samym nadmiernie wzrosła prędkość obrotowa silnika), kulki regulatora unosiły się pod wpływem siły odśrodkowej i wprawiały w ruch tuleję zaworową i dźwignię ograniczającą ilość pary. Wraz ze spadkiem liczby obrotów kulki opadały, a zawór lekko się otwierał.
Biorąc pod uwagę działanie wszystkich tych urządzeń, łatwo wyobrazić sobie ogólną zasadę działania maszyny. Z kotła parowego para przechodziła przez rurę do przestrzeni b, a stamtąd, dzięki ruchowi szpuli, była kierowana do cylindra nad tłokiem B lub pod nim. Kiedy para weszła do przestrzeni nad tłokiem, ten opadł, a pod tłokiem podniósł go. W rurze parowej znajdował się zawór, który przepuszczał mniej lub więcej pary, w zależności od potrzeb. Pozycję zaworu regulował parowy regulator odśrodkowy f. Na głównym wale siedział mimośród, którego pręt SS przechodził po drugiej stronie maszyny pod skrzynką szpuli i za pomocą dźwigni podnosił lub opuszczał szpulę. Ruch tłoka B był przenoszony na pręt O, który przeszedł całkowicie ciasno do głowicy cylindra, a następnie do ruchomego wahacza. Na przeciwległym końcu wahacza znajdowała się część G, która chwytała od dołu wykorbienie wału głównego K. Tak więc przy każdym wzniesieniu i opuszczeniu tłoka następował jeden obrót tego wału i umieszczonego na nim koła zamachowego L. siła była przenoszona z wału głównego za pomocą pasów lub innych środków tam, gdzie miała być użyta. Skraplacz znajdował się na dole maszyny. Składał się ze zbiornika wypełnionego wodą, który był stale odnawiany za pomocą pompy q oraz zbiornika D, w którym zachodziła kondensacja. Zimna woda nie tylko otaczała zbiornik, ale też wpadała do niego przez wiele małych otworów. Spuszczana gorąca woda była stale wypompowywana za pomocą pompy wodnej C. Ciepła woda wchodziła do skrzynki i była ponownie wypompowywana do kotła parowego za pomocą pompy Mm.
Stworzenie mechanizmu do przenoszenia ruchu z tłoka na wał wymagało od Watta ogromnego wysiłku. Wiele zadań, które rozwiązał, znajdowało się generalnie na granicy ówczesnych możliwości technicznych. Jednym z problemów było stworzenie niezbędnej szczelności. W cylindrze dwustronnego działania, w przeciwieństwie do cylindra jednostronnego działania, obie strony musiały być szczelnie zamknięte. Ponieważ jednak tłok musiał mieć połączenie z częściami zewnętrznymi, w pokrywie pozostawiono okrągły otwór, w którym tłoczysko (pręt) wchodziło całkowicie szczelnie. Watt wpadł na pomysł umieszczenia w pokrywie mocno przykręconej grubej warstwy naoliwionego kabla, po którym ślizgał się pręt bez dotykania metalu cylindra. Co więcej, pręt ze względu na swoją gładkość bardzo mało się pocierał. Inny problem dotyczył samego mechanizmu konwersji ruchu: w końcu, aby przenieść użyteczną pracę wykonaną przez tłok podczas ruchu w górę, konieczne było sztywno połączone tłoczysko z drążkiem równoważącym. We wszystkich poprzednich silnikach parowych były połączone łańcuchem. Teraz musiałem pomyśleć o tym, jak sztywno połączyć drążek poruszający się w linii prostej i końcówkę balansera poruszającą się po łuku. Watt osiągnął to, tworząc specjalne urządzenie nadawcze, które nazywa się równoległobokiem Watta.
Koniec wahacza A był tutaj połączony przegubowo przez łącznik ADB z punktem B dźwigni BC połączonym w punkcie C z jakąś nieruchomą częścią silnika. Tak więc cały system miał dwa stałe punkty obrotu: środek drążka równowagi, wokół którego drgał drążek równowagi, oraz punkt C, wokół którego obracała się dźwignia CB. Punkt A na końcu drążka równoważącego i punkt B na końcu dźwigni CB przesunięty wzdłuż łuków opisanych od środka drążka równoważącego i od punktu C. W tym samym czasie punkt D na drążku ADB łączący punkty A i B wykonywał ruchy bardzo zbliżone do pionu i prostoliniowości. Ten punkt był połączony z tłoczyskiem. Następnie Watt ulepszył to urządzenie nadawcze, uzyskując dwa punkty łączące ruch prostoliniowy. Jeden z nich podłączył do tłoczyska, a drugi do tłoczyska pompy pomocniczej obsługującej silnik. Stworzenie tego urządzenia transmisyjnego wymagało od Watta tak dużego wysiłku, że uważał je za swój największy wynalazek. Napisał: „Chociaż nie zależy mi szczególnie na mojej sławie, jestem bardziej dumny z wynalezienia równoległoboku niż z innych moich wynalazków”.
Następnie ruchy oscylacyjne drążka równoważącego zostały zamienione za pomocą korby na ruch obrotowy (ponieważ mechanizm korbowy został opatentowany przez Picarda, w pierwszych maszynach Watta ruch oscylacyjny drążka równoważącego został zamieniony na ruch obrotowy za pomocą układu solarno-planetarnego mechanizm stworzony przez firmę Watt, gdy tylko wygasł patent Picarda, zaczęto stosować przekładnię korbową). Dzięki ruchowi obrotowemu wału roboczego uzyskanemu w wyniku tych wszystkich przekształceń, nowy silnik Watta nadawał się do napędzania innych maszyn roboczych. To pozwoliło mu odegrać rewolucyjną rolę w rozwoju wielkiego przemysłu maszynowego. W latach 1785-1795 wyprodukowano 144 takich parowozów, a do 1800 321 W pracowały już w Anglii. Były używane dosłownie we wszystkich sferach produkcji. Wielkie dzieło Watta zostało należycie docenione przez jego współczesnych i potomków. Po śmierci wynalazcy w 1819 roku angielski parlament uczcił jego pamięć budową marmurowego pomnika w Opactwie Westminsterskim. Autor: Ryzhov K.V.
▪ Ogień ▪ Celofan
Hałas drogowy opóźnia rozwój piskląt
06.05.2024 Bezprzewodowy głośnik Samsung Music Frame HW-LS60D
06.05.2024 Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024
▪ Cała sól morska jest zanieczyszczona plastikiem ▪ Ćma pszczoła przeciwko polietylenowi
▪ sekcja strony Energia elektryczna dla początkujących. Wybór artykułu ▪ artykuł A jednym słowem: chciał arbuza, / A ten chciał ogórki. Popularne wyrażenie ▪ artykuł Jakie sporty zespołowe mają podwodne odpowiedniki? Szczegółowa odpowiedź ▪ artykuł Wykorzystanie zimna. Opieka zdrowotna ▪ artykuł Magiczna różdżka-cukiernik. Sekret ostrości
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Polecamy ciekawe artykuły Sekcja 
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony