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 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:
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:
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:
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:
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:
Кроме того, Джеймсом Уаттом был применён центробежный регулятор, который представляет собой устройство, позволяющее регулировать подачу пара, в зависимости от нагрузки на двигатель:
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:
А ниже вы можете посмотреть ряд реально существовавших паровых машин (кликабельно):
Эта же картинка в большом разрешении есть по ссылке.
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:
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.
Список использованной литературы
- В.К.Богомазов и др. – «Паровые двигатели»
- Ерохин В.Г., Воронцова Л.А. – «История энергетической техники»
- И.Н.Нигматулин – «Тепловые двигатели»
- Н.В.Иноземцев – «Курс тепловых двигателей»
Комментарии (67)
Dimsml
01.06.2023 09:24Несмотря на все усовершенствования, поршневой паровой машине так и не удалось избавиться от кривошипно-шатунного механизма, что ограничивало её применение.
Во многих странах экспериментировали с установкой паровых турбин на поезда, но вроде как это всё совпало с распространением дизельных поездов и электрификацией, поэтому их на всю планету наверное десять-двадцать наберётся. Ну и вроде бы КПД зависит от скорости лопаток турбины, поэтому там было две связанные проблемы: маленькие по диаметру турбины и проектировались они чтобы КПД был выше на высоких скоростях, поэтому область применения оказывалась узкая.
SlFed
01.06.2023 09:24+4Не только турбины позволяют избавится от кривошипа. В 19 веке была сконструирована сферическая паровая машина Тауэра.
И здесь об этом была статья https://habr.com/ru/articles/396909/
salnicoff
01.06.2023 09:24Другая причина: у турбины большие обороты и очень маленький момент. Если вал турбины завести на колеса, то она не сможет тронуть локомотив с места (о составе на 100500 вагонов я вообще молчу). Есть два выхода: либо ставим коробку передач на 100500 передач (и выносим крышу локомотивной бригаде), либо делаем электропередачу. Первый вариант отпал сам собой, а электричество проще подавать по проводам, чем генерировать таким способом. Зато на судах турбины прижились, там все проще: повесил на вал винт — и пошел в море...
diakin
01.06.2023 09:24+3повесил на вал винт
Нет конечно. Используются редуктора.
salnicoff
01.06.2023 09:24+1Зависит от. :-) Есть (были) низкооборотные судовые турбины, которые без редукторов выдавали в пределах 1000 об/мин, и у них были отдельные секции заднего хода. Такие ставили и соединяли прямо с винтом. Потом перешли на высокооборотные, пришлось ставить редукторы, но быстро сообразили, что редуктор — зло, и начали ставить электропередачу.
Кстати, первое судно с турбинами было именно с выскооборотной турбиной и без редукторов. Пришлось много чего колхозить из-за разных эффектов...
roofcat
01.06.2023 09:24+5Одна из любимых книг на даче - "Устройство паровоза, его содержание и ремонт" (пере) изданная в 20х годах прошлого века. Необычайно подробное описание принципов действия паровых машин, и вообще всего что только есть в паровозе, вплоть до отдельной главы про водомерные стекла, почему их два, и как их использовать... Поражает две вещи - у многих узлов и деталей имена собственные, типа масленка инж.Вирхкопфа (условно) или тормоз Матросова. И второе - понимание, что 80-90% всех изобретений, технологий, знаний умерло вместе с паровозами...
lgorSL
01.06.2023 09:24+18@DAN_SEA я раз за разом вижу твои статьи и у меня буквально горит. Выглядит вроде бы серьёзно - графики, картинки, текст, какие-то цифры, но при чтении оказывается, что всё свалено в кучу и перемешано с очень сомнительными утверждениями и фантазиями.
Ну можно же получше разобраться или даже самому попробовать что-то сделать - намного больше толку будет.
У некоторых авторов статья как айсберг - есть куча опыта и на основании его пишется статья, в которой видно 5-10% сжатого, проверенного, концетрированного знания. А здесь наоборот какой-то колосс на глинянных ногах.
Дальше примеры:Кроме того, Джеймсом Уаттом был применён центробежный регулятор, который
представляет собой устройство, позволяющее регулировать подачу пара, в
зависимости от нагрузки на двигатель:Нет, центробежный регулятор регулирует подачу пара в зависимости от скорости вращения двигателя. Всё. Почему двигатель меняет скорость - от того, что пар закончился или от того что нагрузка поменялась - он не знает.
Требования к мощности паровых установок росли, что, соответственно, требовало и повышения их рабочего давления.
Не обязательно, можно было бы просто делать установку больше. Дело в том, что КПД тепловой машины зависит от разницы температур, и уже из-за этого повышали давление. Паровая машина должна быть не только мощной, но и по-возможности эффективной.
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 кгМасса и давление - несравнимые величины.
Связано это с тем, что обычно, при поступлении пара в цилинр, он начинает сразу же в некоторой степени кондесироваться,
Пар начинает конденсироваться, когда он расширяется и совершает работу, толкая поршень.
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).Не надо обобщать какой-то единичный случай на все двигатели. Во время работы температура ДВС намного больше, что не мешает ему нормально работать. Для примера у охлаждающей жидкости может быть 90 градусов и это нормально.
В противовес этому всему, — огонь в топке паровой машины может гореть
практически при любом атмосферном давлении, встречающемся на Земле, в
естественных условиях.В ДВС точно так же горит топливо при практически любом атмосферном давлении, а ещё ДВС эту смесь сжимает перед поджигом.
Вот тут список, винтовой самолёт с ДВС достигал высоты в 18.5 км. https://ru.wikipedia.org/wiki/Список_рекордов_высоты_полётаЕщё одним интересным моментом является тот, что паровой двигатель
намного легче по весу альтернативных вариантов в виде двигателей
внутреннего сгорания или электрическихнет
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.С этим прекрасно справляется трансмиссия, есть куча разных решений - вязкое трение как в автоматических коробках, проскальзывание сцепления на механике, центробежное сцепление и т.п.
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!У последних производимых паровозов сделано намного интереснее - машинист регулирует перекрытие. Это то, насколько большую часть такта пар поступает в поршень. При большом перекрытии КПД низкий, но давление на поршень большое, при маленьком перекрытии (допустим, 0.1) пар выпускается в цилиндр в начале хода и потом впуск закрывается. Пар расширяется раз в 10 и совершает кучу работы, отдавая всю энергию.
А ещё использование перегретого пара и регулируемого перекрытия позволило отказаться от многоступенчатых схем, когда пар расширялся в паре цилиндров - можно было сразу в одном цилинде обеспечить любую степень расширения.
Но это всё какие-то скучные подробности, зачем о них писать.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).Нет, у парового двигателя есть ограничения по скорости оборотов "сверху", и у паровозов неспроста делали огромные колёса.
А у паровых турбин, которые более эффективные, вполне себе есть рабочие обороты и снижение КПД за их пределами.Это даёт возможность механизму, оборудованному паровой машиной,
показывать такие впечатляющие примеры применения, как например,
взбираться на крутые горки, практически на нулевой скорости:Низкий крутящий момент компенсируются передаточным числом трансмиссии. Важна только мощность.
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 ДВСВо-первых, не вижу никаких проблем
Во-вторых, существует роторный двигательПодытоживая, 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.Так сделай, а то в каждой статье "довольно легко", "можно так", "есть идеи" и ни одного самостоятельно собранного прототипа.
Это как писать статью про язык программирования, не написав ни одной строчки кода на нём.
belch84
01.06.2023 09:24+6Нет, центробежный регулятор регулирует подачу пара в зависимости от скорости вращения двигателя.
В университете я изучал дифференциальные уравнения по учебнику Понтрягина. Первым примером реального исследования системы на устойчивость был именно регулятор Уатта. Излагая оригинальное исследование Вышнеградского («О регуляторах прямого действия»), автор выводил дифференциальные уравнения движения, потом находил стационарное решение системы и исследовал его устойчивость. Выходило, что на работе регулятора отрицательно сказывается увеличение массы шариков, а также уменьшение трения в системе (именно эти изменения к худшему были следствиями прогресса — масса шариков росла с увеличением мощности двигателя, а трение уменьшалось из-за увеличения точности обработки поверхностей). Вообще, всё исследование — впечатляющий пример приложения теории к совершенно конкретным проблемам техники, привевший к появлению конкретных рекомендаций по устранению проблем.
Понтрягин Л.С., «Обыкновенные дифференциальные уравнения», 1974, стр.218
Radisto
01.06.2023 09:24+2Нет, у парового двигателя есть ограничения по скорости оборотов "сверху", и у паровозов неспроста делали огромные колёса.
А иногда, на маленькой колее, так не получалось, и были редукторные паровозы: Гейслеры, Шеи, Климаксы. Последние ещё с коробкой передач, упрощенной конструкции, там, кажется, передач всего две было, и переключать на ходу было нельзя, но тем не менее. И это была прекрасная физика. Из преимуществ у паровой машины - только максимальный крутящий момент на неподвижном валу, очень это локомотивщикам нравилось. Помните все эти великолепные монстры вроде пневматической "паровой" машины с дизельным приводом (догитлеровская Германия, если не ошибаюсь. Кажется, даже в опытную эксплуатацию пошел локомотив), и дизель-паровая машина, когда цилиндры трогались на пару, а потом переключались на дизельный режим (это кажется СССР, и до опытной эксплуатации даже не дошло)? Всё,чтобы не делать сцепление и гидромеханику
tezqa
01.06.2023 09:24вижу твои статьи и у меня буквально горит
Увидел твой кмоментарий и у меня горит. Автор написал хорошую статью. А твой комментарий, по сути, придирка. Лучше бы написал его как дополнение к статье, и был бы хороший камент, а так это какие-то эмоиции на хабре.. И еще набежала куча которая это заплюсовала(хомячковость во всей красе)
DAN_SEA Автор
01.06.2023 09:24Ок, постараюсь ответить по пунктам, по которым смогу что то ответить ;-)
Кроме того, Джеймсом Уаттом был применён центробежный регулятор, который
представляет собой устройство, позволяющее регулировать подачу пара, в
зависимости от нагрузки на двигатель:Нет, центробежный регулятор регулирует подачу пара в зависимости от скорости вращения двигателя. Всё. Почему двигатель меняет скорость - от того, что пар закончился или от того что нагрузка поменялась - он не знает.
Что по-вашему делает любой двигатель, даже на авто современных, при повышении нагрузки? Не кидает ведь Interrupt? :-) Нет - двигатель при повышении нагрузки уменьшает свои обороты. Именно поэтому говорят о двигателях: "холостые обороты" и "обороты под нагрузкой". Таким образом, как мы можем узнать об увеличении нагрузки? - естественно, по уменьшению оборотов. Таким образом, вы просто видимо не до конца поняли мысль, заложенную здесь и мы говорим об одном и том же. Мне казалось, что я достаточно понятно написал, не проговаривая до конца некоторые вещи, так как они подразумевались, "между строк". Но, похоже возникло недопонимание.
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 кгМасса и давление - несравнимые величины.
Я понимаю это. И опять же, здесь просто подразумевается, недосказанное: потому что, что такое 300 бар? Если 1 бар =1.02 кг/см^2, то 300 х 1,02 = 306 килограмм на сантиметр квадратный.
Таким образом, я хотел всего лишь сказать, что если у нас сосуд обладает достаточно малой площадью, то и давление на его стенки будет весьма мало и составит далеко не 306 кг/см2, а всего лишь от 1 до 3 кг.
И именно поэтому тонкие казалось бы трубки - могут легко выдерживать дикие давления (не до бесконечности большие - но всё же).
Связано это с тем, что обычно, при поступлении пара в цилинр, он начинает сразу же в некоторой степени кондесироваться,
Пар начинает конденсироваться, когда он расширяется и совершает работу, толкая поршень.
Эта информация взята чуть ли не дословно из старой книги по паровым двигателям и звучит именно так. Кстати говоря (об этом в статье написано) - похоже как раз начальной конденсации Джеймс Уатт и пытался всячески избежать, одевая цилиндр в деревянную "рубашку" - чтобы он постоянно сохранял тепло и пар минимально конденсировался в начале.
Ещё одним интересным моментом является тот, что паровой двигатель
намного легче по весу альтернативных вариантов в виде двигателей
внутреннего сгорания или электрическихнет
Вопрос дискуссионный - но у меня такая информация. Не берусь точно судить, но если посмотрим даже на вот это видео, то видно, что паровая машина, которая "тащит" паровоз - это всего лишь 1 (или может быть 2- не знаю) цилиндра внизу. И всё:
В противовес этому - у современных тепловозов - это огромный многоцилиндровый блок, чуть не во весь тепловоз размером (а там и литой картер, блок цилиндров, аккмуляторы и т.д. и т.п.). Поэтому не зря говорят, что паровоз легче.
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!У последних производимых паровозов сделано намного интереснее - машинист регулирует перекрытие. Это то, насколько большую часть такта пар поступает в поршень. При большом перекрытии КПД низкий, но давление на поршень большое, при маленьком перекрытии (допустим, 0.1) пар выпускается в цилиндр в начале хода и потом впуск закрывается. Пар расширяется раз в 10 и совершает кучу работы, отдавая всю энергию.
А ещё использование перегретого пара и регулируемого перекрытия позволило отказаться от многоступенчатых схем, когда пар расширялся в паре цилиндров - можно было сразу в одном цилинде обеспечить любую степень расширения.
Но это всё какие-то скучные подробности, зачем о них писать.Ну тут ведь дело какое - каждый пишет, что ему кажется интересным. Я вот - каждый день не имею дело с паровозами :-) И меня этот вопрос всегда занимал, а тут как раз появился случай разобраться.
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).Нет, у парового двигателя есть ограничения по скорости оборотов "сверху", и у паровозов неспроста делали огромные колёса.
Здесь я, возможно недостаточно точно сказал. И хотел сказать только лишь (и весь дальнейший текст кстати про это, в том числе про "залезание" паровоза на горку) - что паровоз прекрасно обходится без коробки передач, так как может "тянуть" нагрузку на любой доступной ему скорости.
Это даёт возможность механизму, оборудованному паровой машиной,
показывать такие впечатляющие примеры применения, как например,
взбираться на крутые горки, практически на нулевой скорости:Низкий крутящий момент компенсируются передаточным числом трансмиссии. Важна только мощность.
Ниже, в комментах правильно сказали, что тогда теряется плюс паровоза - его относительная лёгкость;-). Кроме того, я так полагаю, что в те времена, когда были паровозы - изготовление сложных редукторов было "не раз плюнуть" - т.к. не было ЧПУ. Соответственно, любой вариант избежать потребности в редукторе - воспринимался как очевидный плюс (я так это понимаю).
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.Так сделай, а то в каждой статье "довольно легко", "можно так", "есть идеи" и ни одного самостоятельно собранного прототипа.
Статья про что, на ваш взгляд? Это пошаговый мануал, как собрать паровоз? :-)))) Или же общеознакомительная, с таким интересным явлением?
Кроме того, как я и написал, - что приходилось видеть такие высказывания на тему апгрейда паровых машин. Не "я предлагаю их так апгрейдить и собирайте скорей все!" - а "вот есть такой интересный путь, который мне показался любопытным, для осмысления".
Но в любом случае, спасибо, что уделили время на чтение! ;-)
LordCarCar
01.06.2023 09:24+3Я понимаю это. И опять же, здесь просто подразумевается, недосказанное: потому что, что такое 300 бар? Если 1 бар =1.02 кг/см^2, то 300 х 1,02 = 306 килограмм на сантиметр квадратный.
Таким образом, я хотел всего лишь сказать, что если у нас сосуд обладает достаточно малой площадью, то и давление на его стенки будет весьма мало и составит далеко не 306 кг/см2, а всего лишь от 1 до 3 кг.
В огороде бузина, а в Киеве - дядька!
diakin
01.06.2023 09:24+1Автор имеет в виду, что при одинаковом давлении на меньшую площадь действует меньшая сила.
voldemar_d
01.06.2023 09:24+3Таким образом, я хотел всего лишь сказать, что если у нас сосуд обладает достаточно малой площадью, то и давление на его стенки будет весьма мало и составит далеко не 306 кг/см2, а всего лишь от 1 до 3 кг.
Ни разу не видел (и не слышал), чтобы считалось нормальным "подразумевать" единицы измерения. Даже если только что говорилось про бары, писать сразу после этого кг вместо кг/см2 - неправильно. И мне не понять причин, зачем это может быть нужно - неужели потому, что лень три буквы дописать? Единица измерения - это не просто слово, в котором можно часть выкинуть. На уроках физики в школе за неправильное написание единиц измерения снижают оценку, а в ВУЗах и подавно. В физике есть даже методы решения задач через единицы измерения. Например: даны какие-то условия на входе, и в конце нужно получить кг/см2. Просто анализируя, что на входе имеем килограммы, а на выходе - кг/см2, можно сделать вывод о том, что на что нужно поделить или умножить, чтобы решить задачу, даже "не помня" конкретные физические законы.
SergeyMax
01.06.2023 09:24+3давление на его стенки будет весьма мало и составит далеко не 306 кг/см2, а всего лишь от 1 до 3 кг.
Да что вы там у себя такое курите!
Tarakanator
01.06.2023 09:24+3Вопрос дискуссионный - но у меня такая информация. Не берусь точно судить, но если посмотрим даже на вот это видео, то видно, что паровая машина, которая "тащит" паровоз - это всего лишь 1 (или может быть 2- не знаю) цилиндра внизу. И всё:
В противовес этому - у современных тепловозов - это огромный многоцилиндровый блок, чуть не во весь тепловоз размером (а там и литой картер, блок цилиндров, аккмуляторы и т.д. и т.п.). Поэтому не зря говорят, что паровоз легче.
Если под двигателем мы понимаем именно преобразователь одного вида энергии в движение, без источника этой энергии, то электродвигатель будет легче.
Т.е. в ваших терминах у двигателя тепловоза нет многоцилиндрового блока. Там только электродвигатель.
Astroscope
01.06.2023 09:24Вот тут список, винтовой самолёт с ДВС достигал высоты в 18.5 км.
Но это же форменное читерство - на самолете установлены двигатели с турбонаддувом, пара IO-550.
Наддув, любой - что турбо, что механический или электрический нагнетатель, это чисто авиационная штука, решавшая задачу уменьшавшегося с высотой давления воздуха, а следовательно количества забираемого кислорода, как бы желательного для горения топлива. Позже наддув пришел и в наземный транспорт, но это тема отдельного экскурса.
существует роторный двигатель
Но практического применения не нашел. За исключением экспериментов Mazda на не самых, скажем так, массовых моделях марки, серийных автомобилей с ним я не знаю. Может быть, роторный двигатель применялся (серийно) в авиации? Или на флоте? Вряд ли из-за нерешенных проблем с ресурсом, но интересно как минимум умозрительно.
salnicoff
01.06.2023 09:24+1На флоте роторный двигатель не применялся от слова «совсем». Во-первых, низкая надежность, во-вторых, низкий ресурс. Ну и технические проблемы — попробуй с одного цилиндра 100 000 лошадей снять... В дизеле хоть 16 цилиндров стоит, все и в размерах меньше, и нагрузка на детали распределяется и в 16 раз меньше.
Astroscope
01.06.2023 09:24Не для спора, а из пусть праздного, но настойчивого любопытства: а как насчет гоночных катеров? Я, к стыду, не знаком с техническими регламентами разных гоночных классов и серий, но если ресурса двигателя хватает на один победный заезд, то это уже интересно.
Что до цилиндров, то роторный двигатель тоже можно сделать на те же 16 или сколько угодно "шайб". Другое дело, что большой судовой дизель может быть низкооборотистым, двухтактным и наддувным - все эти качества уместны на относительно крупнотоннажных судах, насколько я могу себе это предложить.
salnicoff
01.06.2023 09:24+1Не для спора, а из пусть праздного, но настойчивого любопытства: а как насчет гоночных катеров?
В шестидесятые ставили. Тогда чего только не ставили... Потом одумались. Но это все были единичные случаи, и сугубо для спорта. В транспорт это не пошло.
Другое дело, что большой судовой дизель может быть низкооборотистым, двухтактным и наддувным
Он не «может быть», он должен быть низкооборотным, двухтактным и наддувным. А еще — реверсивным. У роторников с этим проблемы, насколько я помню. Ну и еще одна проблема: а мазут роторник может кушать?
Astroscope
01.06.2023 09:24Ну и еще одна проблема: а мазут роторник может кушать?
А это, кстати, хороший вопрос. То, что обеспечить необходимую для самовоспламенения степень сжатия практически невозможно - сочтем за аксиому. Ремарка для зануд: на самом деле все можно, только проработает пару часов до капремонта, потому что нагрузки на требующие уплотнения трущиеся поверхности будут сильно выше, чем для бензина, и это при том, что на бензине оно тоже долго не ходит. То есть необходимо "бензиновое" воспламенение от искры. А мазут - он такой, плохо испаряющийся. В отличие от практически полностью испаренного и равномерно смешанного с воздухом бензина в цилиндр будет подаваться по сути почти исключительно жидкое топливо. Fail. Допустим, тем не менее, что с зажиганием вопрос решим традиционным дизельным способом - калильными свечами, благо температуры вспышки условного мазута невелика (понятно, что конкретная цифра зависит от сорта). Что получим? При низкой степени сжатия КПД двигателя будет низким, смысла нет. Наращивать степень сжатия невозможно из-за нерешаемых проблем с ресурсом, и без того маловатым. При работе "по-дизельному" - без дросселирования, регулировкой только подачей топлива, двигатель будет все время работать в режиме бедной смеси, а это повышенная тепловая нагрузка в сравнении со стехиометрической смесью у бензиновых или газовых двигателей. Опять уменьшаем и без того проблемный ресурс. При том что весогабариты именно судовой силовой установки, в отличие, скажем, от авиационной, один из наименее критичных параметров (ну, в разумных пределах, конечно), а значит достоинства роторного двигателя имеют крайне малое значение. Fail. В общем, как ни крути, а традиционная система цилиндрических цилиндров с цилиндрическими поршнями оказалась лучшим решением на всех видах транспорта и в сельхозтехнике, от бензопил до контейнеровозов.
salnicoff
01.06.2023 09:24+21) Бензина на судне быть не может. Вычеркиваем роторник из рассмотрения.
2) «Пара часов для капремонта» — это на самолетах так делать можно. Он в воздухе полетает, потом все равно садится, и надо делать техобслуживание. Можно под него подвести и замену мотора в сборе (дорого, идиотизм, но теоретически можно). А вот судно месяцами в море, там межремонтные и межсервисные интервалы огромные, никаких «пара часов до капремонта». И это вторая причина, почему роторники на флоте не прижились. Кому сильно надо было — ставили газовые турбины.
mpa4b
01.06.2023 09:24А как у вас получились из работы на бедной смеси повышенные тепловые нагрузки?
Astroscope
01.06.2023 09:24Это не у меня получилось, а у исследователей.
Upd: максимальная температура ГБЦ, насколько я помню из литературы, достигается при 0.85 от стехиометрической смеси при том, что максимальная температура выхлопных газов достигается где-то в районе единицы. С дальнейшим обогащением смеси температура выхлопных газов начинает, а температура ГБЦ продолжает снижаться.
diakin
01.06.2023 09:24+1Масса и давление - несравнимые величины.
Ну тут имеется в виду сила в килограммах, а не масса, но все равно, автор как будто упускает из виду, что давление=сила\площадь.
voldemar_d
01.06.2023 09:24Об этом и речь - нельзя сравнивать давление и силу. Силу надо приложить к площади, чтобы получилось давление.
mpa4b
01.06.2023 09:24+1Там ещё интереснее, если рассуждать о разрывной силе, действующей на оболочку трубы, то там будут единицы вида 'сила/длина', а не просто 'сила'. Давление -- это 'сила/площадь'.
voldemar_d
01.06.2023 09:24Сама сила в любом случае измеряется в ньютонах :-)
mpa4b
01.06.2023 09:24Силу можно измерять в килограмм-силе :) Хотя необязательно, зная что вес 1 килограмма на поверхности Земли -- это примерно 10 ньютонов.
voldemar_d
01.06.2023 09:24Есть единица давления, в которой как бы килограммы присутствуют, но тогда это называется "килограмм-сила". Т.е. единица давления - кгс/м2, а не просто кг/м2:
venanen
01.06.2023 09:24Нет, центробежный регулятор регулирует подачу пара в зависимости от скорости вращения двигателя. Всё. Почему двигатель меняет скорость - от того, что пар закончился или от того что нагрузка поменялась - он не знает.
Вы правы, но устройство действительно могло регулировать подачу пара в зависимости от нагрузки. Логика работы остается такой же и по сей день - если у Вас в машине падают обороты - открывается дроссельная заслонка. Падать они могут по нескольким причинам, а логика одна.
В ДВС точно так же горит топливо при практически любом атмосферном давлении, а ещё ДВС эту смесь сжимает перед поджигом.Вот тут список, винтовой самолёт с ДВС достигал высоты в 18.5 км. https://ru.wikipedia.org/wiki/Список_рекордов_высоты_полёта
Там была турбина. Чисто технически, можно поддерживать горение в любой среде, где есть хотя бы небольшое количество кислорода, и устройство, способное поднять давление.
С этим прекрасно справляется трансмиссия, есть куча разных решений - вязкое трение как в автоматических коробках, проскальзывание сцепления на механике, центробежное сцепление и т.п.
Трансмиссия - это плохо. Это потеря КПД, дополнительный узел, который может весит очень много, дополнительная точка отказа. Костыль, если по айтишному говорить, потому что раскрутить двигатель с КШМ до больших оборотов - крайне сложно. А с роторным двигателем согласен - ведь действительно механизм, лишенный мертвых точек. Ресурс у него небольшой, но даже на мазде rx8 он доезжает до 100 тысяч километров, что не так уж и мало, на самом деле. Почему его забросили и не ведут разработки, ведь реально потенциальный движитель.
Astroscope
01.06.2023 09:24+1Вы правы, но устройство действительно могло регулировать подачу пара в зависимости от нагрузки. Логика работы остается такой же и по сей день - если у Вас в машине падают обороты - открывается дроссельная заслонка. Падать они могут по нескольким причинам, а логика одна.
Покуда мы на Хабре, пацанам за логику ответьте. :)
В бензиновом автомобиле в общем случае дроссельная заслонка регулируется только и исключительно педалью газа. Ее положение никак не зависит от нагрузки на двигатель или чего угодно еще - только от манипулирования органом управления заслонкой, вышеозначенной педалью газа. Если падают обороты из-за возрастающей нагрузки, приблизительно ничего не помешает двигателю заглохнуть, если водитель не предпримет каких-либо действий. Если обороты растут из-за уменьшившейся нагрузки, ничто не помешает двигателю набрать обороты, в крайнем случае до конструктивно максимальных включительно, если водитель не предпримет каких-либо действий.
В дизельном автомобиле заслонки нет вообще. В некоторых конструкциях автомобильных бензиновых двигателей заслонки также нет вообще, но из-за относительной редкости не будем на них останавливаться, покуда роль заслонки у них выполняют впускные клапаны, что эффективнее, но сильно сложнее в реализации, поэтому это и редкость. Тем не менее, в дизельном автомобиле логика не меняется - незначительно меняется реализация, поскольку педаль газа воздействует на производительность топливного насоса, а не на отсутствующую заслонку. Поэтому точно так же, при увеличении нагрузки обороты будут падать и двигатель может заглохнуть, а при уменьшении нагрузки обороты будут расти. Только водитель воздействием на педаль газа может парировать эти изменения оборотов, а не оно само по себе произойдет.
Такая вот логика.
Да, отдельные автомобили могут оснащаться надстройками над вышеозначенной системой и управлять заслонкой вне манипулирования педалью газа, но это не та логика, о которой вы говорите. Пример такой надстройки - воздушный клапан, временно увеличивающий подачу воздуха в обход закрытой заслонки для поддержания повышенных оборотов для устойчивого запуска и прогрева. Вы можете привести и другие примеры надстроек, но логика работы автомобиля неизменна - заслонкой управляет водитель, пусть даже у него есть вспомогательная автоматизация под общим названием "круиз-контроль" со своим актуатором и своим тросом к заслонке. Ой, да, теперь ведь все педали электронные, второго троса в дополнение к отсутствующему первому не нужно.
Теперь посмотрим, где применяется регулировка топлива или топливной смеси в зависимости от нагрузки. Это не автомобили. Это газонокосилки и генераторы. Им необходимо поддерживать стабильные обороты независимо от нагрузки, желательно без сложных и дорогих в реализации надстроек. Особенно важно это для генераторов, потому что им частоту генерации нужно выдерживать более-менее близкую к стандартным 50Hz или 60Hz в зависимости от региона, поэтому обороты им нужно держать довольно строго около 3000 или 3600 соответственно. У газонокосилок требования к точности удержания оборотов ниже - там достаточно было бы работать в каком-то широком диапазоне, когда скорость вращения ножа достаточна, а двигатель работает с оборотами, близкими к оборотам максимального крутящего момента, но тем не менее принцип регулирования и его реализация практически идентичны тем, что используются в генераторах, а именно используется такой же центробежный регулятор с грузиками, через тягу воздействующий на заслонку карбюратора, поэтому точность удержания оборотов сопоставима и в целом достаточна для генераторов.
Ресурс у него небольшой, но даже на мазде rx8 он доезжает до 100 тысяч километров, что не так уж и мало, на самом деле.
Это прекрасный пробег для машины выходного дня, которая сто тысяч проедет за не знаю сколько десятилетий. Заявленный расход масла порядка литра на 1000км тоже не выглядит проблемой сам по себе (надо полагать в реальности, на умеренно изношенном двигателе, он заметно больше), но может стать серьезной проблемой с точки зрения экологических норм.
В странах, где нет дурацких законодательных ограничений (или как минимум налогового давления) на рабочий объем, проще сделать восемь больших цилиндров, немного наддуть их, и получить приличную в абсолютных цифрах мощность и момент при смехотворной нагрузке на двигатель. А если нужно дешевле, то сделать шесть цилиндров поменьше - дальше то же самое, только меньше и от этого тоже дешевле. Какой-нибудь стандартный Shelby GT500 с небольшим по американским меркам 5.2l V8 (у Hellcat 6.2, а так и более семи литров вполне может быть) развивает что-то около 760 сил на обычном бензине. Более форсированный вариант развивает порядка 1000 сил на обычном бензине и до 1300 сил на этаноле. На этом фоне возня с роторными двигателями выглядит так себе.
mpa4b
01.06.2023 09:24+1Комментарий просто для расширения кругозора.
Электронно управляемые заслонки с "круиз-контролем" -- по сути и выходит автоматическое поддержание оборотов (при заданной передаче) при разных нагрузках
Для дизелей ещё в механическую эпоху получили распространение регуляторы оборотов, и более того, в любом, даже сравнительно старом, автомобильном дизеле регулятор оборотов в ТНВД никуда не девается, просто он регулирует минимальные (чтоб не заглох и не раскручивался без нагрузки) и максимальные (чтоб не перекрутить при активном педалировании) обороты. Называется -- двухрежимный регулятор. В технике типа тракторов и далее в тепловозы -- всережимный регулятор уже, поддерживает любые заданные обороты независимо от нагрузки. Всережимные регуляторы бывают жёсткие (насколько педальку надавил, если речь про колесную и гусеничную технику, такие обороты и будут, а если невозможно прям сразу раскрутить нагрузку -- будет мгновенно режим максимального момента) и мягкие -- где по мере приближения к заданным оборотам подача топлива уменьшается.
-
Даже в разных дизельных легковых автомобилях бывают как двурежимные, так и всережимные мягкие регуляторы. В первом случае для поддержания повышенных оборотов даже без нагрузки надо педалировать туда-сюда, в других -- нет.
Astroscope
01.06.2023 09:24Электронно управляемые заслонки с "круиз-контролем"
Не являются [обязательной, неотъемлемой] частью любого автомобиля, а лишь опциями, надстройками.
Для дизелей ещё в механическую эпоху получили распространение регуляторы оборотов
Да, такие же центробежные, например. Для поддержания холостых оборотов - крайне полезная вещь.
3.
Так глубоко дизели не копал, спасибо, действительно для расширения кругозора.
Tarakanator
01.06.2023 09:24А ещё использование перегретого пара и регулируемого перекрытия позволило отказаться от многоступенчатых схем, когда пар расширялся в паре цилиндров - можно было сразу в одном цилинде обеспечить любую степень расширения.Но это всё какие-то скучные подробности, зачем о них писать.
Стоп. насколько я понимаю одна из причин многоступенчатых поршневых паровых двигателей в том, что при разной степени расширения разное давление.
Т.е. цилиндр 1-й ступени маленький и очень прочный. А последней большой, но лёгкий т.к. давление и нагрузки там меньше.
Это как с турбиной. лопатки и дивметр турбины меняются от впуска к выпуску.lgorSL
01.06.2023 09:24Пробовали по-разному, можно эту статью на википедии почитать: https://ru.wikipedia.org/wiki/Компаунд-паровоз
strvv
01.06.2023 09:24+1- для @IgorSL и @Juri_78 редукторы ничего не весят? у тепловозов и танков как и тяжелых тракторов и грузовиков редукторы весят больше самого двигателя. почему на тяжёлых машинах, тех же судах пар ещё долго сохранял свое место.
у паровоза большой вес на котёл, но если водотрубный — то на накопитель. - рабочее тело. есть более удобные рабочие тела, чем дистиллированная вода, но опасные — тот же аммиак.
- с кривошипношатунным механизмом — простое и надежное решение, все эти баландины и прочие при возрастании зазоров выше определённых малых величин — начинают клинить.
в принципе, свободный поршень можно и в паровом использовать, даже проще чем в двс, материалы менее требовательные, т.д. и т.п. - кпд по карно. ограничен выбором рабочего тела и опасностью аварии. тут паровым сложнее.
- кпд ещё ниже за счёт значительного упрощения и облегчения системы — разомкнутый контур по рабочему телу, иначе говоря — пар выпускали в атмосферу.
- недостаток — время запуска, даже на водотрубном...
Jury_78
01.06.2023 09:24+1редукторы ничего не весят?
Весят, но и ДВС легче парового.
strvv
01.06.2023 09:24как раз редукторы для передачи большого момента весят больше двигателя.
паровой двигатель, если без котла - весит легче двс, гораздо, посмотри даже изделие добля, начало 20 века - кривошип с шагом 90*, полозья и два двойного действия цилиндра, чтобы не было мертвых точек.
котёл - если водотрубный - легкий. ну и получается 2 бака - рабочее тело и топливный.
если брать по радиусу действия как вновь модные (прошлая мода - конец 19-начало 20 века) элекробрички - баки могут быть маленькими. если использовать электронику для контроля процессов, а штатно там всё на простой механической связи - то можно добиться экономичности не хуже чем у двс в городском цикле. другое дело что высокие давления и температуры предполагают повышенную опасность.
strvv
01.06.2023 09:24вообще-то можно под разные условия применения использовать разные движители, золотой пули нет.
в случае малых мощностей, халявного или дешевого источника тепла, высокой температуры в случае воды как рабочего тела - вполне себе решение. в той же британии до сих пор балуются с паровыми грузовиками, в конце 70х только перестали производить, т.к. уголь дешевле, он местный, а нефть везти...для более низких температур пойдёт водный раствор аммиака, т.е. концентрированный нашатырь, но это для закрытого стационара, т.к. опасное вещество, мясокомбинаты почему в постсоветское время вынесли за пределы городов.
- для @IgorSL и @Juri_78 редукторы ничего не весят? у тепловозов и танков как и тяжелых тракторов и грузовиков редукторы весят больше самого двигателя. почему на тяжёлых машинах, тех же судах пар ещё долго сохранял свое место.
FanatPHP
01.06.2023 09:24+2Добавлю еще одну поправочку.
В машине Ньюкомена пар не толкал поршень. У него просто не было такого давления. Холостой ход совершался под действием силы тяжести — цепь или шток просто опускались вниз за счет собственного веса. А рабочий ход обеспечивался атмосферным давлением, при конденсации пара. Именно поэтому она и была "все еще атмосферной".
diakin
01.06.2023 09:24Основной недостаток парового двигателя - низкий кпд.
voldemar_d
01.06.2023 09:24В статье про это написано: "Низкий КПД паровых машин, не превышающий 10%, и послужил для них приговором". ИМХО, здесь слово "приговор" вполне к месту, и как раз означает, что этот недостаток перевесил и прочие недостатки, и преимущества.
salnicoff
01.06.2023 09:24Низкий КПД — это у паровоза, потому что:
1) паровоз ограничен в габаритах, водотрубный котел на него не поставишь;
2) паровоз ограничен в габаритах, с тягой в котле проблемы из-за низкой трубы;
3) паровоз ограничен габаритах, конденсатор ставить негде;
4) паровоз ограничен в габаритах, поэтому на него можно ставить только двухцилиндровую машину однократного расширения (были попытки сделать иначе, но не получилось);
5) паровоз должен трогаться с места с нагрузкой, поэтому ему надо иметь два цилиндра высокого давления двойного действия с кривошипами, повернутыми на 90°, из-за этого п. 4) становится невыполнимым;
6) паровозу не надо генерировать электричество и отопление для помещений, поэтому все тепло уходит в атмосферу (на судах мятым паром крутят пародинамо, а потом пускают в систему отопления);
7) на паровоз не поставишь лишнее колесо, которое будет крутиться от турбины, которая крутится мятым паром;
8) паровая машина любит крутиться медленно, поэтому паровоз должен иметь огромные колеса, но ему нельзя их иметь, ибо габарит.
У пароходов этих проблем нет, поэтому КПД у них существенно выше.
mpa4b
01.06.2023 09:24Конденсатор можно ставить на тендере, и более того, ставили в 30х годах.
Можно ставить и 3 и 4 цилиндровую. Другое дело, что это усложняет конструкцию и обслуживание, но ставить можно, и более того -- было множество таких экспериментов.
Двойное расширение (паровая машина компаунд) и вовсе было когда-то широко распространённым, например см. серию О.
strvv
01.06.2023 09:24да, но это значительно повышало требования к обслуживающему персоналу по всей дороге, где использовались более сложные изделия. вообще в то время моряки и железнодорожники были наиболее грамотные из массовых гражданских специалистов. и в войсках они же + артиллерия, там математика. потом уже пошли усложнения.
vashu1
01.06.2023 09:24+2> Она является первой в мире паровой машиной, которая была двухцилиндровой, что позволяло ей работать без использования гидравлической энергии.
Меха паровики качали и до Ползунова.
Ранние паровые машины имели единственный цилиндр не просто так - мощность пропорциональна объему цилиндра, его стоимость пропорциональна площади стенок - так что единственный цилиндр дешевле всего.
khe404
01.06.2023 09:24Как мне кажется не хватает раздела про парогазовые установки (ПГУ). Где скоростной поток образовавшийся при сгорании топлива используется как для разогрева воды, так и для вращения турбины, что выводит КПД такого агрегата на новый уровень.
Tabke
01.06.2023 09:24На видео, где паровой трактор забирается в гору, очевидно что камера наклонена. Если посмотреть на деревья, они под углом. Деревья так не растут, деревья растут только вертикально вверх, к солнцу.
qyix7z
01.06.2023 09:24+4Мощность паровых турбин находится в пределах 50.000 кВт, хотя в отдельных случаях она может достигать и 150.000 кВт.
Паровые турбины типа ТП-1,5-К2,2 (1500 кВт) и К-1200-240 (1200000 кВт) смотрят на это утверждениес некоторым удивлением
energo_2000
01.06.2023 09:24Не освещены двигатели Добля, я даже год назад книжку по ним скачал, вот там стимпанк..
Jury_78
Как раз, с увеличением высоты, понижается давление и процент содержания кислорода это плохо для горения. Для двигателей внутреннего сгорания это тоже проблема.
DAN_SEA Автор
Это понятно. Просто при прочих равных - говорят, что для этих условий паровая машина предпочтительнее, т.к. как минимум меньше по весу сравнимой мощности двигателей внутреннего сгорания ;-). Не говоря уже о том, что паровая машина может "тянуть в горку" чуть ли не с шагом муравья, с почти нулевыми оборотами и ей ничего от этого не будет, в отличие от ДВС.
Jury_78
Есть же редукторы :)
DAN_SEA Автор
Конечно. Да и вообще, сейчас паровая машина почти ушла из за ДВС:-)...
А вот бывало, в прежние годы, где только не встречалась: О_о
Jury_78
Я еще застал работающий паровоз, не музейный экспонат, а реально работающий. Поразил он меня сильно, потому и запомнил... Потом еще долго на железных дорогах стояли водозаправочные краны - высокие, крашеные серебрянкой.
roofcat
Работающие до сих пор есть, на Ярославском направлении Московской ж.д. ходил и возможно ходит еще. Я как то встречал семью и з Ярославля, а поезд под паровозом пришел на соседний путь, впечатление удивительное, по сравнению с современными локомотивами, он выглядит живым, вздыхает и теплый.
salnicoff
Ярославль – Рыбинск под паровозом ходит. Еще время от времени устраивают акции типа «музейный поезд», «поезд победы» и т. п., но там московские паровозы приезжают. На Ярославском направлении (если из Москвы смотреть) один остался — в Александрове, в депо стоит. А так на маневровой работе и на заводских ветках паровозы у нас до конца нулевых ездили, с пассажирскими поездами — до конца восьмидесятых (Ленинград – Кубышев и Ленинград – Иваново).
voldemar_d
https://www.rzd.ru/ru/10420/page/103290
voldemar_d
Не знаю, действует ли сейчас:
https://www.afisha.ru/msk/other/retropoezd-4727/