VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Паровой двигатель. Создание парового двигателя.

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Никогосян Э.А. 1

---

1МБОУ школа №174.

Ененко Е.Ю. 1

---

1МБОУ Школа №174

Работа в формате PDF

2.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

В третьем классе я работал над проектом «Самолет. Принцип полета».

Я провел сравнительный анализ по нескольким направлениям. Изучил строение тела птицы и самолета типа «У-2». Конечная цель моего проекта состояла в том, чтобы самому создать летательный аппарат, который бы смог держаться в воздухе и планировать. У меня получилось. Мотор для своего самолета я позаимствовал у старой игрушки. И вот с тех пор меня заинтересовал следующий вопрос. Что заставляет двигаться самолеты, автомобили, паровозы, теплоходы, космические ракеты и т.д.

Поэтому в этом году тема моего проекта «Паровой двигатель. Создание парового двигателя».

Цель работы: Создать паровой двигатель, и применить силу его действия в учебном приборе, изображающем движение Земли вокруг Солнца.

Задачи:

1.Познакомиться с историей изобретения и применения первых паровых двигателей.

2.Изучить принцип работы парового двигателя.

3.Произвести все необходимые расчеты и изготовить паровой двигатель.

4.Сконструировать прибор - теллурий.

5.Привести в движение учебный прибор теллурий посредством работы парового двигателя.

Методы проектно-исследовательской деятельности:

Поисковый эксперимент;

Метод анкетирования;

Метод сбора и обработки данных.

Анализ справочных и литературных источников.

1.1 Появление первых паровых двигателей и их особенности.

С древнейших времен люди нуждались в двигательной силе, или в двигателях, которые бы приводили в действие приспособления для подачи воды на поля, вращение жерновов, и т.д. В странах Древнего Востока, в Древнем Египте, Индии для этой цели использовали животных и рабов. На смену живым двигателям пришло водяное колесо. В средние века водяные колеса приводили в действие прядильные и ткацкие станки. В 17 в. персы изобрели ветряную мельницу. С появлением таких мельниц началась история ветряных двигателей, использовавшихся для того, чтобы молоть зерно, качать воду. Водяные колеса и ветряные двигатели вплоть до 17 в. оставались единственными типами двигателей. Были у водяных колес недостатки: они имели малую мощность, работа их зависела от времени года и с трудом поддавалась регулировке. Постепенно стала остро ощущаться нужда в принципиально новом двигателе: мощном, дешевом, автономном и легкоуправляемом. Именно таким двигателем на целое столетие стала для человека паровая машина.

1.2 Создатели паровых двигателей.

В конце 17в. – начале 18в. во Франции, Англии, Швеции и других странах делались неоднократные попытки использовать энергию пара – создать паровой двигатель.

Самый первый в истории паровой двигатель представлял собой род насоса, при помощи которого откачивали воду, заливающую шахты. Его изобрел в 1689 г. Томас Сэйвери.

Сам изобретатель назвал ее «огневой машиной» и широко разрекламировал как «друга шахтеров».

В 1712 г. Томас Ньюкомен изобрел поршневой насос, приводимый в действие паром.

В 1760-е г. Джеймс Ватт улучшил конструкцию Ньюкомена и создал намного более эффективные паровые двигатели. Вскоре их стали использовать на фабриках для приведения в действие станков.

Первый турбогенератор Парсонса мощностью 1 МВт, установленный в промышленную эксплуатацию на одном из заводов в Германии (1899).

В 1884 г. английский инженер Чарльз Парсонс (1854-1931) изобрел первую применимую на практике паровую турбину. Его конструкции были настолько эффективны, что ими вскоре стали заменять паровые двигатели возвратно-поступательного действия на электростанциях.

Наиболее удивительным достижением в области паровых двигателей было создание полностью замкнутого, работающего парового двигателя микроскопических размеров.

Японские ученые создали его, используя методы, служащие для изготовления интегральных схем. Небольшой ток, проходящий по электронагревательному элементу, превращает каплю воды в пар, который движет поршень.

Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции 18 века. Вплоть до середины 20 в. паровые машины широко применялись в тех областях, где их положительные качества долговечность, невысокие эксплуатационные расходы, простота обслуживания и лёгкость реверсирования делали применение паровой машины более целесообразным, чем применение других двигателей, несмотря на её недостатки, вытекающие главным образом из наличия кривошипно-шатунного механизма. Характер теплового потребления этих предприятий определял тепловую схему установки и соответствующий ей тип теплофикационной паровой машины: с концевым или промежуточным отбором пара.

Область применения Паровых двигателей (Турбин).

Преимущества паровых двигателей:

Использование различных видов топлива.

Эффективность не падает из за низкого атмосферного давления.

Хорошие тяговые характеристики.

Глава 2. Паровой двигатель, прицип работы.

2.1 Что такое паровой двигатель.

Паровой двигатель — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.

В паровозах (локомотивах) используются поршневые двигатели. В качестве двигателей используют также турбины, которые дают непосредственно вращательное движение, вращая ряд колес с лопатками. Паровые турбины приводят в действие генераторы электростанций и винты кораблей. В любом паровом двигателе происходит превращение тепла, вырабатываемого при нагреве воды в паровом котле (бойлере) в энергию движения. Тепло может подаваться от сжигания топлива в печи или от атомного реактора.

2.2Составляющие парового двигателя.

Для движения паровой машины необходим паровой котёл. Котёл, предназначен для генерации насыщенного или перегретого пара. Так же давление пара можно преобразовать в механическую работу. Для функционирования котла так же можно использовать энергию топлива, сжигаемого в своей топке, и электрическую энергию (электрический паровой котёл). Из котла давление пара поступает в паротурбины, где происходит дальнейшая работа механического двигателя.

Пар.

Вода.

Топливо.

2.3. Механизм работы парового двигателя.

Вода при кипении образует пар. В замкнутом пространстве пар образует давление. Давление поступает через трубу в золотниковый цилиндр и начинает движение золотника. Из золотника давление поступает в цилиндр. Поршень внутри цилиндра начинает вращаться. Благодаря поступательному движению поршня и золотника образует вращательное движение вала, который и крутит моховик. Обратный ход образуется за счет инерции вращения колеса.

Цилиндр.

Моховик.

Шатун.

Золотник.

Вал.

Поршень.

Глава3. Практическая часть.

3.1Что знают мои сверстники про паровой двигатель.

В ходе моей научной работы я провел опрос среди одноклассников. Им предлагалось ответить, знают ли они какие-либо виды двигателей, и в каких областях они применяются. На этот вопрос смогли ответить лишь 27% опрошенных. Назван был реактивный двигатель и тепловой. Но сфера применения не была указана. Тогда я предложил им ответить на вопрос, знают ли они за счет чего приходит в движение машина, теплоход, паровоз, электровоз, самолет, ракета. У ребят мой вопрос вызвал затруднения. В ответах прозвучали слова «мотор», «двигатель». После опроса я раздал им тест, где им нужно было сопоставить понятия 2-х групп: В 1-ой группе были перечислены разные виды двигателей. Во 2-ой группе сферы их применения. С заданием справились 71% ребят, у 29% тест вызвал затруднения. Отсюда можно сделать вывод: что данная тема для моих сверстников еще не знакома.

3.2 Модель парового двигателя и теллурия.

После изучения всей теоретической части передо мной и моим наставником дедушкой Джемсиком Сергеевичем встало несколько задач:

Выбрать подходящую схему исходя из которой можно моделировать паровой двигатель.

Изучить механизм работы прибора, теллурия демонстрирующего движение Земли вокруг Солнца - теллурия. Конечно, земля крутиться вокруг солнечной системы, как и другие планеты солнечной системы по законам физики. Но наш прибор теллурий будет это демонстрировать с помощью работы парового двигателя.

Подобрать соответствующие материалы для создания модели.

Собрать модель парового двигателя, способного приводить в движение теллурий.

3.3. Этапы создания парового двигателя.

1-ый этап. Анализ чертежей и эскизов моделей парового двигателя и теллурия.

2-ой этап подбор соответствующих материалов.

1.Лист от ДСП. 2.Проволка толщиной 2мм. 3.Отрезки водопроводной тубы. 4.отрезки железной трубы. 5.Отрезки железа. 6.Саморезы.Болты, гайки, шурупы 7.Крепления. 8.Сухой спирт. 9.Краски.

Подбор необходимых инструментов: Паяльник, ножовка, рубанок, нож по металлу, молоток, сверла, наждачная бумага.

3-ий этап. В первую очередь принимаемся за изготовление модели теллурия.

Вот его оставляющие:

1.Глобус.

2.Шестеренки.

3.Модель Солнца.

4.модель Луны.

5.Подставка.

Начали работу с каркаса глобуса. Из проволок с помощью паяльника собрали модель глобуса. Вырезали материки из листа оцинкованного металла и припаяли их на соответствующие места. Покрасили.

Далее нам предстояло изготовить шестеренки, которые должны вращать теллурий. Установили под глобусом. Модель Солнца сделали из шара от боулинга. Елочная игрушка стала луной. Движение всей конструкции осуществляется за счет шестеренки, а механическая сила будет поступать от парового двигателя.

4-ый этап. Сборка парового двигателя. Начинаем с создания парового котла. У дедушки были отрезки от железной трубы ⦱50мм. Приварили трубу, закрыли концы. Сверху поставили штуцер для шланга. Из него давление пара будет поступать в цилиндр. Котел наполнили соответствующим количеством воды. Нагревание воды будет происходить с помощью сухого горючего.

На 5-ом этапе мы конструировали остальные детали, парового двигателя это: Гильза, поршень, вал, моховик, золотник, цилиндр, шатун.

Цилиндр:Берем кусочки ПВХ трубы и отмечем нужную длину. Отрезаем нужные размеры и подчищаем края. Далее нам нужно сделать отверстия в цилиндрах. Благодаря им давление из одного цилиндра будет поступать в другой. Соединяем наши цилиндры друг к другу. В одном из цилиндров сверху делаем отверстие. Это нам нужно для подачи давления пара из котла. Концы цилиндра закрываем с помощью пластиковых шайб.

Поршень и золотник делаем из кусков холодной сварки, подгоняем под нужный размер и прикрепляем к гвоздю, формируем поршень, вставляем его в цилиндр размер не подошел, мы подогнали его до нужного чтобы он свободно мог двигаться в цилиндре. Таким же способом был изготовлен и золотник.

Шатун:Отрезаем гвозди необходимой длины и прикручиваем к одному краю гайки к другому краю металлическое кольцо, которое будет соединять шатун с моховиком.

Моховик.Его мы сделали из куска железа, которая до этого использовалась в динамике. Рядом с моховиком установили блок шкивов. Они нужны для снижения оборотов и увеличения силы вращения. От шкивов механическая работа поступит к теллурию с помощью каната.

6-щй этап. Далее нам предстоит отмерить нужное расстояние между деталями на деревянной платформе . Отмечаем нужные точки на опоре. Устанавливаем шатун на коленный вал и устанавливаем в опору моховика. Ставим наши цилиндры на места, которые были отмечены, и закрепляем с помощью самореза. Соединяем наш котел с цилиндром.

.

7-ой этап. Это самое волнительное. Мы запустили работу котла. Вода начала кипеть в замкнутом пространстве. Давление пара поступило в золотниковый цилиндр. Но нам не удалось получить нужное давление для вращения моховика. Тогда мы с дедушкой немного доработали нашу модель котла. Снова запустили котел вода начала кипеть, от давления пара началась работа золотника, от золотника началась работа поршня. Вращение золотника и поршня привели к работе моховика. Таким образом, мы смогли передать механическую работу моховика к нашему прибору, изображающему движение Земли вокруг солнца.

Заключение.

В начале моей научной работы перед нами стояла сложная задача. Нам не только нужно было создать модель теллурия, но еще и создать паровой двигатель который бы смог продемонстрировать вращение Земли вокруг Солнца. Это было сложно, в некоторых моментах казалась немного невозможным. Но благодаря моему дедушки, его знаниям физики, математики, моей смекалке и талантливым рукам мы смогли собрать весь наш прибор. Я смог узнать, что для работы нужен двигатель. И как работает двигатель, я понял в ходе моей научной работы.

Словарь технических слов.

Теллурий- (от лат. tellus — «Земля», в родительном падеже — telluris) — прибор для наглядной демонстрации годового движения Земли вокруг Солнца и суточного вращения Земли вокруг своей оси.

Двигатель-устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в механическую работу. Термин мотор заимствован в первой половине XIX века из немецкого языка (нем. Motor — «двигатель», от лат. mōtor — «приводящий в движение») и преимущественно им называют электрические двигатели и двигатели внутреннего сгорания^.

Насо́с — гидравлическая машина, преобразующая механическую энергию приводного двигателя или мускульную энергию (в ручных насосах) в энергию потока жидкости, служащую для перемещения и создания напора жидкостей всех видов, механической смеси жидкости с твёрдыми и коллоидными веществами или сжиженных газов^]. Разность давлений жидкости на выходе из насоса и присоединённом трубопроводе обусловливает её перемещение.

Поршневой насос- (плунжерный насос) — один из видов объёмных гидромашин, в котором вытеснителями являются один или несколько поршней (плунжеров), совершающих возвратно-поступательное движение

То́пка — устройство для сжигания органического топлива с целью получения высоконагретых  дымовых газов. Полученная тепловая энергия либо преобразуется в электрическую или механическую энергию, либо используется для технологических и других целей.

Паровая турбина -(перенаправление с Паротурбинный двигатель)

приводит ротор во вращение. Паровая турбина является одним из элементов паротурбинной установки (ПТУ). Паровая турбина и электрогенератор составляют турбоагрегат.

Давле́ние — физическая величина, численно равная силе, действующей на единицу площади поверхности перпендикулярно этой поверхности. В данной точке давление определяется как отношение нормальной составляющей силы {\displaystyle dF_{n}}, действующей на малый элемент поверхности, к его площади.

Генерация электроэнергии-производство электроэнергии (электрического напряжения и тока) посредством преобразования её из других видов энергии с помощью специальных технических устройств.

Для генерации электроэнергии используют:

Электрический генератор — электрическую машину, в которой механическая работа преобразуется в электрическую энергию.

солнечную батарею или фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию электромагнитного излучения, в основном светового диапазона, в электрическую энергию.

Химические источники тока — преобразование части химической энергии в электрическую, посредством химической реакции (см. также Топливный элемент, Гальванический элемент).

Радиоизотопные источники электроэнергии;

{\displaystyle dS}

Реактивный двигатель — двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Ине́рция- (от лат. inertia — бездеятельность, синоним: инертность) — свойство тела оставаться в некоторых системах отсчёта в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения в отсутствие внешних воздействий, а также препятствовать изменению своей скорости (как по модулю, так и по направлению) при наличии внешних сил.

Шкив- (нидерл. schijf, англ. sheave) — фрикционное колесос ободом или канавкой по окружности, которое передаёт движение приводному ремню или канату. В отличие от блока, шкив передаёт момент с вала на ремень (либо с ремня на вал); блок же вращается на оси свободно и обеспечивает исключительно изменение направления движения ремня или каната. Система из двух закреплённых на валах шкивов, между которыми находится кольцевой ремень, называется ремённой передачей.

Список литературы.

Паровая машина. «https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B0%D1%88%D0%B8%D0%BD%D0%B0»

Двигатель.

«https://dic.academic.ru/dic.nsf/ntes/3377/%D0%9F%D0%90%D0%A0%D0%9E%D0%92%D0%9E%D0%99»

Создатели. «https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B5%D0%B2%D0%B5%D1%80%D0%B8,_%D0%A2%D0%2BE%D0%BC%D0%B0%D1%81»

Принцип действия «https://auto-ru.ru/parovoi-dvigatel.html

https://yandex.ru/images/search?pos=1&img_url=https%3A%2F%2Fbigenc.ru%2Fmedia%2F2016%2F10%2F27%2F1237297994%2F26213.jpg&text=как%20устроен%20паровой%20двигатель&rpt=simage&lr=4»

«/wiki/%D2%E5%EF%EB%EE%E2%EE%E9_%E4%E2%E8%E3%E0%F2%E5%EB%FC»

.«/wiki/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B1%D0%B8%D0%BD%D0%B0»

«Перышкин А. В. «Физика», учебник для 8 класса средней школы»

«/wiki/%CF%E0%F0%EE%E2%E0%FF_%EC%E0%F8%E8%ED%E0#.D0.9F.D1.80.D0.B8.D0.BC.D0.B5.D0.BD.D0.B5.D0.BD.D0.