VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Изучение принципов работы паровых двигателей, их особенностей и свойств на примере построенной экспериментальной модели.
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Проблема: двигатели внутреннего сгорания приблизились к пределу своего совершенства уже к началу ХХI века. В настоящее время автомобильная индустрия проводит попытки внедрения альтернативных двигателей. В качестве замены пробуют использовать гибридные, электрические, газовые и даже есть отдельные попытки вернуться к паровым двигателям.
Цель проекта: рассмотреть паровой двигатель как альтернативу двигателю внутреннего сгорания.
Задача проекта: оценить на практике достоинства и недостатки, парового двигателя, для чего построить экспериментальную модель.
История создания паровых машин.
Человечество строит тепловые машины различного типа не первый век, накопив в этом деле немалый опыт. До XVII века создание паровой машины было невозможно ввиду отсутствия теории и технологий обработки металла, требуемых для изготовления деталей необходимой точности. История создания паровой машины начинается с изобретения пароатмосферного агрегата. В 1681 году французский ученый Дени Папен изобрел устройство, которое откачивало воду из шахт. В качестве движущей силы в первое время применялся порох, а затем его заменили на водяной пар. Так появилась пароатмосферная машина.
У парохода Папена был следующий принцип работы. На дно цилиндра необходимо было залить небольшое количество воды. Под самим цилиндром располагалась жаровня, которая служила для нагревания жидкости. Когда вода начинала кипеть, образующийся пар, расширяясь, поднимал поршень. Из пространства над поршнем через специально оборудованный клапан выталкивался воздух. После того как вода закипала и давление пара поднималось, необходимо было убрать жаровню, закрыть клапан, чтобы удалить воздух, и при помощи прохладной воды охладить стенки цилиндра. Благодаря таким действиям пар, находившийся в цилиндре, конденсировался, под поршнем образовывалось разрежение, и благодаря силе атмосферного давления поршень вновь возвращался на свое первоначальное место. Во время его движения вниз и совершалась полезная работа. Не стоит и говорить, что КПД подобного механизма был крайне низок, а эксплуатация его сложна и безумно неудобна.
Следующим оказался английский ученый Томас Ньюкомен. Он долго изучал сильные и слабые стороны работы своих предшественников, и взяв самое лучшее из их работ, создал в 1712 году свой аппарат. В новой паровой машине так же использовался вертикальный цилиндр. Однако пар образовывался уже в отдельном котле. Вокруг поршня закреплялась цельная кожа, что значительно повышало его герметичность. Данная машина также была пароатмосферной. Главными минусами изобретения были его громоздкость и неэкономичность: машина «съедала» огромное количество угля. Однако пользы она приносила значительно больше, чем изобретение Папена. Поэтому ее почти пятьдесят лет применяли в подземельях и шахтах.
Следующим ученым, заявившим о себе, стал Д. Хулл из Англии. В 1736 году он представил миру свое изобретение: пароатмосферную машину, впервые предназначенную для установки на корабли, у которой в качестве движителя были лопастные колеса. Однако надежность пароатмосферной машины не вызывала доверия, и суда оборудовали парусами как основным движителем.
Новый прорыв случился в Российской Империи. В 1766 году на металлургическом заводе в Барнауле была создана машина, которая подавала в плавильные печи воздух при помощи специальных воздуходувных мехов. Создателем ее стал Иван Иванович Ползунов, впервые применивший в своем изобретении два рабочих цилиндра, передающих крутящий момент на один общий вал. Однако это все еще был пароатмосферный агрегат.
1784 год стал переломным в истории создания паровых машин. Механик Джеймс Уатт сконструировал свой паровой двигатель. В отличие от пароатмосферных механизмов, в которых пар использовался лишь для подъема поршня, и полезная работа совершалась за счет атмосферного давления, а то и за счет силы тяжести, Джеймс Уатт предположил, что гораздо выгоднее использовать давление самого пара. Попутно это избавляло от необходимости постоянно охлаждать рабочий цилиндр, теряя при этом огромное количество энергии, затраченное перед этим на нагрев воды и получение пара. Напротив, изобретатель заключил цилиндр в специальную паровую рубашку, сохраняющую его рабочую температуру.
Работая над усовершенствованием своей машины, Уатт создал специальный сосуд, погруженный в холодную воду – конденсатор – в который попадал отработавший в цилиндре пар. Это позволило во-первых создать замкнутый цикл оборота воды, а во-вторых извлекать из того же количества пара намного больше энергии.
Уатт также изменил и принцип подачи пара. Теперь пар попадал сначала под поршень, тем самым поднимая его, а затем собирался над поршнем, опуская. Таким образом, механик фактически создал первую паровую машину двойного действия.
Выбор конструкции модели.
Изучив вкратце историю паровых машин мы, уже можем сделать определенные выводы об их преимуществах и недостатках по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, а так же определиться с выбором схемы конструкции, пригодной для воплощения в модели.
Главное преимущество парового двигателя перед двигателем внутреннего сгорания является ее «всеядность». Паровые машины являются двигателями внешнего сгорания, что позволяет использовать практически любой вид топлива, от деревянных дров до ядерной энергии. Последний вариант сейчас широко используется на атомных электростанциях и в двигателях атомных кораблей. Правда, для преобразования тепловой энергии в механическую там применяются не паровые машины, а турбины.
К другим достоинствам классической паровой машины можно отнести такие характеристики как: высокая надёжность, возможность эксплуатации при значительных колебаниях нагрузки, допустимость продолжительных перегрузок, долговечность, низкие расходы на эксплуатацию и простота в обслуживании. А главное постоянный крутящий момент во всем диапазоне оборотов коленчатого вала, что делает ненужными различные редукторы. Именно поэтому у паровоза нет коробки передач.
К недостаткам обычно относят в основном массо-габаритные характеристики, различные эксплуатационные особенности, а так же более низкий КПД по сравнению с другими типами двигателей. Именно их мы и попробуем изучить на примере модели и разобрать ниже.
Паровые машины имеют несколько классических конструкционных схем. Рассмотрим их все.
1. Машина одностороннего или простого действия. Может быть оснащена одним или двумя цилиндрами. Цилиндры могут быть качающиеся (самый простой вариант), или неподвижными, что делает необходимым наличие кривошипно-шатунного механизма и золотника с отдельным механическим приводом. К достоинствам относится фактически лишь простота, если не сказать примитивность, конструкции. К недостаткам – то, что поршень совершает полезную работу, двигаясь только в одном направлении. Обратное движение является холостым ходом, вследствие чего для работы машины простого действия необходим массивный маховик.
2. Машина двойного действия. Так же может иметь один два или более рабочих цилиндров. Однако в отличие от простой машины пар поочередно подается в обе стороны цилиндра. Это делает рабочими оба хода поршня, как поступательный, так и возвратный. Подобная конструкция не предусматривает возможность использования качающихся цилиндров, а кривошипно-шатунный механизм удлиняется на одно звено – толкатель поршня - что приводит к увеличению габаритов и усложнению конструкции. Однако отсутствие холостого хода поршня (напомним: в классическом четырехтактном ДВС холостых ходов целых три) фактически в два раза повышает КПД и мощность, снимаемую с коленчатого вала. Кроме того при использовании более одного цилиндра, при перпендикулярном расположении кулаков колен-вала такая машина не имеет верхней и нижней мертвой точки, что обеспечивает ее самостоятельный запуск при подаче пара при любом положении кривошипно-шатунного механизма.
3. Паровая машина тройного расширения – определенного рода вершина в истории конструирования подобных агрегатов. Главная отличительная особенность – трехступенчатое использование пара. Непосредственно из котла перегретый пар подается лишь в первый из цилиндров. Затем, совершив работу и частично остыв, из первого цилиндра он попадает во второй. Затем в третий. И лишь после этого пар, окончательно остывший, отдавший почти всю свою энергию поршням, отводится в конденсатор. Такая схема позволяет еще больше повысить КПД, однако отличается высокой сложностью парораспределительного механизма, поскольку машина тройного расширения, как правило, является и двустороннего действия.
Кроме всего перечисленного на выбор конструкционной схемы модели паровой машины в значительной мере повлияли условия ее изготовления. В качестве таковых были приняты: отсутствие возможности использования высокотехнологичных станков и оборудования, наличие лишь простого измерительного инструмента (штангель-циркуля), а так же минимальное использование серийно производимых современной промышленностью и доступных в продаже деталей и заготовок. В какой-то мере это приближало нас к условиям строительства паровых машин начала ХХ века, когда с одной стороны культура производства была достаточно высока для того времени, а с другой стороны о высокоточных пятикоординатных станках с автоматической сменой инструмента и числовым программным управлением ни кто и не слышал.
Исходя из изложенного, пришлось пойти на компромисс между высоким КПД машины и сложностью ее изготовления. К постройке модели была принята конструкционная схема №2 – двухцилиндровой машины двойного действия.
Однако кроме цилиндров и шатунов для работы паровой машины необходим пар. А для производства пара – паровой котел. С точки зрения конструкции таковые разделяют на жаротрубные и водотрубные. В первом случае по трубам, проходящим внутри водяного резервуара (т.н. дымогарным трубам) проходят горячие газы, образующиеся после сгорания топлива, попутно нагревая окружающую их воду. Во втором напротив, вода нагревается и сразу превращается в пар в водяных трубах, проходящих через топку. Водотрубный котел считается более безопасным и требует меньше времени для набора рабочего давления. Кстати, в зависимости от последнего параметра котлы классифицируются следующим образом:
1. Низкого давления (до 1 МПа).
2. Среднего давления (от 1 до 10 МПа).
3. Высокого давления (до 14 МПа).
4. Сверхвысокого давления (18 – 20 МПа).
5. Сверхкритического давления (>22,5 МПа).
Из соображений безопасности был выбран второй тип с установкой предохранительного клапана на давление не более 4 МПа и использованием пароперегревателя. Данный элемент позволяет разогреть пар до температуры свыше 100 градусов, что позволяет добиться большей экономичности за счет увеличения КПД агрегата. Пар при использовании перегревателя может достигать температуры в 500 градусов, поскольку нагрев осуществляется уже после этапа испарения воды.
В качестве питания котла будем использовать пропановую горелку с заранее известными параметрами расхода и теплоемкости сгорания топлива.
Расчет мощности и КПД модели паровой машины.
Для определения мощности паровой машины необходимо знать следующие величины: i - количество цилиндров, Т- тип машины - простого или двойного действия, S - ход поршня, т. е. путь движения поршня от верхней мертвой точки до нижней, выраженной в метрах, D - внутренний диаметр цилиндра, выраженный в сантиметрах, Р - давление пара в котле при работе паровой машины, n - количество оборотов, развиваемое паровой машиной в минуту.
Мощность - это работа в единицу времени (секунду). Таким образом, определение мощности паровой машины сводится к определению работы, которую она может произвести в одну секунду. Но в свою очередь работает машина потому, что в нее поступает пар, а следовательно, работа, которую совершает машина, производит и пар, но в большем объеме, чем машина, так как работа пара заключается в прямолинейном перемещении поршня машины. Работа же самой машиной производится вследствие преобразования прямолинейного движения поршня во вращательное движение вала. Последнее же связано с большими потерями в процессе механического преобразования.
В результате этого различают две мощности паровой машины: индикаторную и эффективную. Индикаторная мощность определяется работой пара в цилиндре. Эффективная - это мощность на валу паровой машины. Эти величины связанны уравнением:
Nэф = ¾ Ni
Машина выбранного типа является машиной с полным наполнением пара. То есть пар начинает поступать в цилиндр в момент, когда поршень находится в верхней мертвой точке, и поступает, пока поршень не достигнет нижней мертвой точки. Таким образом, давление пара в цилиндре в процессе движения поршня остается постоянным и почти равным давлению в котле. В таком случае Индикаторная мощность определяется по формуле:
Ni =
Зададим значения переменных исходя из выбранной конструкции паровой машины и заранее известных размеров некоторых деталей, которые в связи со сложностью изготовления в кустарных условиях были выточены из заготовок, производимых серийно и имеющихся в свободной продаже. (В частности цилиндры планировалось изготовить из водопроводных удлинительных трубок.) i = 2, Т= 2, S = 0,02м, D = 0,18см, Р = 2атм. Количество оборотов, минуту n впоследствии можно определить экспериментально. На стадии предварительных расчетов зададим его из желаемого значения мощности, разумных соображений безопасности, а так же в соответствии с выпускаемыми серийно аналогами. Примем n = 1000 об/мин. Значения мощности при этом получаются в лошадиных силах. Таким образом:
Ni = = 0.09 л.с.
Nэф = 3/4Ni = 0.067 л.с.
КПД паровой машины является отношением энергии, полученной на вращающемся валу к энергии, затраченной на производство пара. Таковое отношение автоматически учитывает все потери, происходящие в следствии утечки тепла сгоревшего топлива в атмосферу, остывания пара в паропроводах, потери давления из-за неизбежных утечек, преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, банального трения и т.д.:
В случае тела, вращающегося с постоянной угловой скоростью .
значит – энергия вращающегося вала двигателя.
Затраченную энергию можно рассчитать, исходя из известных характеристик топлива и горелки.
Где Q – количество теплоты сгорания топлива, q– удельная теплота сгорания и составляет 46300000 Дж/кг (табличное значение), m – масса затраченного топлива. Для выбранного типа горелки она равна 0,00006 кг в секунду.
Приведем лошадиные силы мощности к системе Си и посчитаем КПД:
= *100
Проектирования модели паровой машины.
Исходя из полученных результатов расчетов и первоначально поставленных условий, были разработаны следующие рабочие чертежи.
Общий вид машины в трех проекциях наиболее значимых узлов:
Деталировка – расположение деталей на пластинах заготовок со всеми значимыми размерами:
В процессе работы над чертежами был выявлен странный факт, а именно отсутствие упоминаний в популярной литературе необходимости, опережения (либо отставания) фазы вращения эксцентрика золотника на угол шестьдесят градусов. От того будет он отставать или опережать на шестьдесят градусов зависит в какую сторону будет направлено вращение коленчатого вала. К такому выводу пришлось приходить путем построения логической модели:
Изготовление модели паровой машины.
После окончания работы по созданию чертежей переходим к практической части – изготовлению деталей и их сборке. Используя простейшие инструменты: тиски, напильники разных форм и размеров, ручное сверло, а также штангель-циркуль – приступим к изготовлению. Необходимо отметить, что все детали к паровой машине за исключением приобретенных в магазине болтов, гаек, шпилек и подшипников – были изготовлены вручную.
В первую очередь были выточены все необходимые детали для коленчатого вала и собрана станина.
После были сделаны крышки для цилиндров и нарезана резьба на шпильках.
Наиболее трудоемкой задачей стала сборка коленчатого вала. В промышленности обычно используются валы целиком выточенные из единой заготовки, что автоматически обеспечивает соосность его кулачков. В случае сборного каленвала пришлось обеспечивать соосность экспериментально. На фото ниже даже на глаз хорошо видно, что на ранних этапах этого процесса соосность полностью отсутствует.
Однако эта задача оказалась выполнимой, даже при отсутствии специальных измерительных приборов. Ниже представлены станина, с коленчатым валом и каркас с крышками блока цилиндров в сборе.
Дальнейшим шагом стало изготовление шатунов и золотников.
Изготовление цилиндров, подгонка под них поршней стали одним из самых кропотливых этапов работы. Результат ее в полностью собранной модели представлен ниже:
Необходимо отметить, что для более эффективной работы двигателя в процессе работы пришлось изменить конструкцию золотников с коробчатой на цилиндрическую. Что значительно упростило конструкцию и позволило уменьшить утечки пара. На чертеже общего вида представлены оба варианта с коробчатым (слева) и цилиндрическим (справа) золотником.
Оценка результатов эксперимента.
После окончательной сборки были проведены испытания работоспособности модели с помощью сжатого воздуха, в результате которых было отмечено вращение коленчатого вала с высокой скоростью, что позволило перейти к испытаниям с использованием пара.
Главным параметром, который следовало замерить экспериментально, являлась частота вращения коленчатого вала, ранее теоретически принятая за 1000 об/мин. При отсутствии хотя бы элементарного стробоскопа была применена следующая, претендующая на оригинальность, методика. Было очевидно, что любой поршневой двигатель в процессе работы издает циклические звуковые гармоники, хорошо различимые даже на слух. Попросту говоря, двигатель «фырчит», как паровоз. Таким образом, записав звук работающего двигателя с помощью микрофона и обработав его в простейшей программе аудио-редакторе, стало возможным подсчитать число пиков и провалов акустической диаграммы на шкале времени на участке длинной в одну секунду. Приняв, что один цикл «фырчания» двигателя соответствует процессу выпуска пара из золотника одного цилиндра, а таковых выпусков пара приходится по два на один оборот, был получен результат 4200 об/мин. Это более чем в четыре раза превысило теоретически заданную величину, при том же заданном давлении пара в 2 атм.
Используя это экспериментально установленное значение в приведенных выше формулах, получим следующее:
Ni = 0,37 л.с. ,
Nэф = 0,28 л.с.,
Заключение и выводы.
Следует справедливо признать, что технологическая культура изготовления рассматриваемой модели была довольно низка. Большие зазоры в золотниках, отсутствие поршневых колец, невозможность до конца устранить несоосность кулаков и осей шатунов, недостаточная теплоизоляция – все это не могло не сказаться на снижении КПД. Тем не менее, полученный результат вплотную приближается к промышленным образцам начала XX века.
Приведенные выше расчеты позволяет предположить, что применив современные технологии металообработки, используемые в частности при производстве двигателей внутреннего сгорания, использовав вместо золотникового более совершенный клапанный механизм парораспределения, или даже прямой впрыск, управляемый компьютером, а так же используя наиболее экономичные прямоточные котлы, КПД парового двигателя возможно довести до бензиновых аналогов 20-25% или даже дизельных – до 40%.
При использовании современных материалов (керамика, пластики, композиты различных типов) исчезнут главные недостатки «паровиков»: значительные габариты, масса и относительная небезопасность котлов. Из недостатков, пожалуй, остается лишь довольно длительный по сравнению с ДВС запуск, обусловленный необходимостью набора рабочего давления, который, впрочем, так же может быть сведен к минимуму при использовании быстро испаряющихся рабочих жидкостей, и тех же прямоточных котлов.
Приняв во внимание все выше упомянутое, остается лишь предположить, что история классических паровых машин не остановилась вместе с последним паровозом. С дальнейшим развитием и удешевлением технологий «паровики» еще скажут свое слово, в том числе, возможно, и в автомобильной промышленности (особенно если авто начнут оборудовать «вечным» атомным котлом).
Список литературы.
Брошюра «Паровые двигатели для морских моделей». Романов И. 1951 г.
«Появление универсального парового двигателя», сайт studbooks.net
«История создания паровой машины и ее применение», сайт FB.ru: