Mio-tech-service.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Шприц как паровой двигатель

Как сделать паровой двигатель из шприца

Мотор Стирлинга – постоянное увлечение видеоблогера Игоря Белецкого. У него есть много авторских моделей, которые выполнены на высоком профессиональном уровне. Продолжая тему простейших двигателей, он предложил одну занятную конструкцию двигателя Стирлинга, которую легко сделать из обычного стеклянного шприца. Нужно только запаять в нем выходное отверстие, чтобы получилась пружинящая конструкция. Такие готовые продаются в этом китайском магазине.

Добавим последнюю деталь. Из куска металлической ваты, которую можно купить в строительном магазине, она применяется для шлифовки мебели, нужно сделать маленький вытеснитель регенератор. Аккуратно, чтобы он свободно ходил внутри шприца и максимально близко прилегал к стенкам.

Постепенно поршень задвигается до самого вытеснителя и двигатель готов к нагреву. Металлическую вату заменяется даже губкой для мытья посуды или тонкой медной проволочкой, из которых сделать такой вытеснитель сложнее.

Еще материалы этого же автора по теме теплового мотора.

Я всегда мечтал о паровых двигателях, в частности о паровой машине. Знаете, хорошо было бы завести паровой двигатель и смотреть на него, попивая чашечку горячего чая. И вот что получилось.

Хлам

Летом прошлого года я изготовил не особо сложный паровой двигатель. Всего один цилиндр, маховик и механический клапан.

Поршень сделан из батарейки, обмотанной 1-им слоем скотча. Маленький поршенек в клапане — из куска форсунки. Цилиндр — из советского многоразового шприца, хотя лучше заменить его латунной гильзой от охотничьего ружья. Обороты маловаты, но на этом все не заканчивается…

Вторая версия

Паровая машина была полностью переделана через месяц. Теперь все выглядит гораздо лучше.

Стоящее улучшение, не правда ли? Здесь заменены штоки, поршень отлит из олова, переделаны подшипники. В следующей части я расскажу, как ее сделать. А также принцип работы.

Двигатель Стирлинга, некогда известный, был надолго забыт из-за широкого распространения другого мотора (внутреннего сгорания). Но сегодня о нем слышно все больше. Может быть, у него есть шансы стать более популярным и найти свое место в новой модификации в современном мире?

История изобретения парового двигателя

Упоминание о первых паровых машинах датировано первым столетием нашей эры. Устройство, описано Героном Александрийским ‒ пар выходил из сопл, закреплённых на шаре, и приводил в движение двигатель.

Правда, настоящая паровая турбина появилась в Египте в 16 веке. Ее изобрел араб Таги-аль-Диноме.

Подобную машину построил 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка. То есть, как только в обществе наступило экономическое благополучие и возникла необходимость в данном механизме, его тот час же изобрели.

В конце 17 века были созданы ещё две модели: в Испании двигатель сконструировал Аянс де Бомонт, а в Англии Эдвард Сомерсет в 1663 году установил паровую установку для закачки воды в Большую башню замка Реглан. Но все проекты быстро сворачивались и забывались. Тогда, как впрочем, и сейчас все новое не воспринималось большинством, и деньги на разработку никто давать не решался.

Паровой котёл создал француз Дени Папен. Он же изобрёл и предохранительный клапан для стравливания избыточного давления. Дело в том, что высокое давление, создаваемое паром, приводило к частым взрывам.

Кстати, в то же время появилось и расхожее выражение: «выпустить пар», которое означало ‒ успокоить нервы, пошумев на окружающих, без сноса собственного котелка и без жертв среди мирного населения.

Но на этом история паровых двигателей не прервалась. Англичанин Томас Ньюкомен в 1712 году сделал шахтный насос для подачи воды на верх. Двигатель Ньюкомена стал пользоваться спросом, с его массового выпуска началась английская промышленная революция.

В России первую паровую машину в 1763 году спроектировал И.И.Ползунов. С ее помощью приводились в действие воздуходувные меха на заводах.

А француз Николас-Йозеф Куньо шесть лет спустя сконструировал первую паровую телегу. Она приводила в движение сельскохозяйственные механизмы.

А в 1788 году Джон Фитч построил пароход, который вмещал 30 человек, и шел со скоростью до 12 километров в час.

В 1804 году на металлургическом заводе в Южном Уэльсе был испытан первый железнодорожный паровой поезд, его построил Ричард Тревитик.

Паровые установки для выработки электро- и тепловой энергии

Исторически под паровой машиной понимали работающий на водяном паре тепловой двигатель поршневого типа, а когда были изобретены паровые турбины, подобные двигатели часто стали называть турбомашинами.

Дешевые виды местного твердого топлива из биомассы (дрова, древесные пеллеты, брикеты, щепа, опилки) используются для генерации электроэнергии или когенерации, для чего разработаны несколько технологий. Основные:

  • газификация — получение низкокалорийного горючего (генераторного) газа с его последующим использованием в газопоршневом двигателе, приводящем в действие электрогенератор;
  • сжигание твердого топлива в паровом котле и использование полученного пара для работы паровой турбины;
  • сжигание твердого топлива в паровом котле и использование пара для работы поршневого парового двигателя (классической паровой машины или парового поршневого двигателя).


Паровой двигатель Spilling


Газовый детандер Spilling

Главным достоинством современных паровых поршневых двигателей (машин) по сравнению с маломощными (особенно одноступенчатыми) паровыми турбинами является меньший удельный расход пара при равных параметрах давления и температуры пара на входе и выходе и при одинаковой мощности паровой машины и паровой турбины. К плюсам классических паровых машин также надо отнести, по сути, постоянный удельный расход пара при изменении нагрузки в широких пределах (в отличие от двигателей внутреннего сгорания — ДВС) при постоянной частоте вращения (работе на синхронный электрогенератор).

А теперь сравним паропоршневые установки (ППУ) с газопоршневыми (ГПУ). Для работы ГПУ в качестве топлива используется не только природный газ, но и с недавнего времени биогаз и генераторный газ, полученный в результате газификации биомассы. При работе классического поршневого двигателя на генераторном газе мощность двигателя падает до 60%. Но если сравнивать с классической паровой машиной, для работы которой используется водяной пар, то, согласно термодинамическому циклу Карно, его экономичность выше за счет того, что температура продуктов сгорания в ГПУ выше температуры пара, ограниченной теплостойкостью материалов парового котла. Однако при работе ГПУ горючий газ высокой температуры необходимо охлаждать перед подачей в цилиндр газопоршневого двигателя, а это приводит к сбросу во внешнюю среду около 20% теплоты сгорания твердого топлива и делает ГПУ неконкурентоспособным классической паровой машине. Принципиальным отличием паропоршневых двигателей от газопоршневых является наличие у первых накопителя энергии — парогенератора (парового котла), который играет роль пароводяного аккумулятора. Большое значение имеет и стабильность рабочего тела (пара). Отсюда следует, что кратковременные остановки котла не приведут к немедленной остановке самой паровой машины. Чего не скажешь о газопоршневом двигателе, в котором при загрузке газогенератора топливом возможно изменение состава газа, а это может привести к остановке двигателя. Существенное преимущество паровых двигателей заключается также в том, что для работы специализированных паровых котлов можно использовать биомассу (щепу или дрова) естественной влажности, а для газогенераторных установок влажность сырья, как правило, не должна превышать 20%. К тому же ГПУ требует более тщательного ухода, в отличие от паропоршневого двигателя. Преимуществами ППУ перед ГПУ и ДВС являются высокая выносливость и долговечность, простота обслуживания и ремонта и возможность работы, по сути, на любом виде дешевого местного твердого топлива. Последнее условие важно, потому что обеспечивает возможность широкого использования топливных ресурсов на местах и независимость от привозного топлива (к примеру, от топлива так называемого северного завоза в России).

Выше мы сравнивали паровые машины с газопоршневыми двигателями, которые работают на газифицированной биомассе. Понятно, что при работе ГПУ на природном газе при генерации только электроэнергии их преимущество неоспоримо. Однако при когенерации расклад не в пользу ГПУ; утилизировать тепловую энергию выхлопных газов значительно сложнее, чем тепловую энергию выхлопа паровой машины, т. к. коэффициент теплоотдачи конденсирующегося пара в теплообменнике в десятки раз выше коэффициента выхлопного газа ГПУ. Паровая машина экологичнее за счет меньшего объема выбросов NO и CO. Работающие паровые двигатели замкнутого цикла менее шумные, чем ГПУ и ДВС. Паровая машина вполне может конкурировать и с паровой турбиной мощностью 1000-2500 л. с. Конечно, по размерам и весу паровые машины больше в сравнении и превосходят паровые турбины, но за счет меньшей частоты вращения вала ППУ нет необходимости устанавливать редуктор. Ведутся и разработки компактных поршневых паровых двигателей. Например, компания из США Cyclone Power Technologies Inc. разработала паропоршневой двигатель со звездообразным расположением цилиндров мощностью 75 кВт, КПД 31,5% — по аналогии с бензиновыми авиационными моторами, которые используются до сих пор на труженике советской и российской авиации — знаменитом биплане Ан-2.

Использование паровых машин

За рубежом в малой энергетике (мини-ТЭС) вместо малых паровых турбин успешно используются паровые машины, или, как сегодня принято говорить, паропоршневые (паровые) моторы или двигатели. Основной отличительный признак паропоршневых моторов от паровых машин — иной тип парораспределения. Паропоршневые моторы предназначены для работы с однократным расширением пара: пар из котла поступает параллельно во все цилиндры, подобно тому как поступает топливно-воздушная смесь в цилиндры ДВС. А в классических паровых машинах пар проходит через все цилиндры последовательно и расширяется многократно.

Мировую известность получили немецкие паровые моторы фирмы Spilling. Это одноступенчатые поршневые паровые машины противодавленческого типа с системой золотникового расширения пара, отличающиеся от других современных паровых машин, которые работают по многоступенчатому принципу. К сожалению, у модельного ряда паровых машин Spilling очень узкий диапазон мощности: от 100 кВт до 1,2 мВт. Но ресурс у них довольно большой, и в последние годы компания-производитель предлагает их на российском рынке для установки на мини-ТЭС, работающих на биотопливе, на производствах, где есть возможность и необходимость редуцирования пара с расходом от 2,5 т/ч и на установках для утилизации отходов (ТБО, ТКО и др.). Компания Spilling поставляет паропоршневой двигатель в сборе с электрогенератором как готовый к работе агрегат с системой управления, автоматизации и программным обеспечением. Такой двигатель может также работать на природном газе либо биогазе в качестве детандера. Стоимость 1 кВт установочной электрической мощности при расчетах можно принять от 1500 евро FCA. Основные технические данные паропоршневых двигателей Spilling: электрическая мощность 100-1200 кВт; частота вращения — 750, 900 и 1000 об/мин; давление пара на входе — 4-60 бар, на выхлопе — 0,2-15 бар; температура насыщения пара — до 480°С. Для многих двигателей Spilling в качестве топлива используют биомассу, в первую очередь древесную. Например, на одном из деревообрабатывающих предприятий в Африке установлен трехцилиндровый одноступенчатый паропоршневой двигатель Spilling электрической мощностью 437 кВт с давлением пара на входе 9 бар и на выхлопе 0,5 бар. Отходящий пар используется для обеспечения работы сушильной камеры. После ввода в эксплуатацию этого двигателя предприятие обеспечило себя дешевой электро- и тепловой энергией и, что особенно важно, обрело независимость от поставок электроэнергии из общей сети.

Читать еще:  Эквивалентный режим работы двигателя

В числе других европейских производителей паропоршневых двигателей можно назвать чешскую компанию Tenza s. a., которая предлагает паровые двигатели мощностью от 10 до 120 кВт, и шведскую компанию Energiprojekt i Sverige AB, которая производит паровые двигатели мощностью от 500 до 1000 кВт с давлением пара на входе 30-60 бар и с заявленным КПД 25-30% (машины работают по термодинамическому циклу Ренкина с регенерацией и полезным использованием теплоты конденсации пара). Австрийская компания Foerdertechnik GmbH производит когенерационные паровые машины электрической мощностью 150 и 300 кВт и тепловой — 110 и 220 кВт соответственно, в топках паровых котлов которых можно сжигать биомассу, в частности щепу. Максимальная температура пара — 350°С, давление — 32 бар, паропроизводительность 200 кг/ч. Но стоимость этих машин, конечно, очень высокая — 280 тыс. и 480 тыс. евро. При такой стоимости эти «золотые» машины можно использовать только в некоторых европейских странах (Австрии, ФРГ и др.), где реализуются масштабные программы поддержки и субсидий ВИЭ и гарантируется оплата генерируемой электроэнергии по «зеленому» тарифу в течение продолжительного времени (до 20 лет). Поскольку в России о таких тепличных условиях можно только мечтать, то ориентироваться нужно в первую очередь на отечественных и азиатских (КНР, Тайвань, Вьетнам и др.) производителей и разработчиков оборудования. В мире производят сегодня и так называемые паровинтовые машины, которые в большей степени можно отнести к категории турбин, только ротор у этих машин не с лопатками, как у классических турбин, а в виде винта Архимеда — в основном цилиндрической или конусно-винтовой формы.

Первый отечественный паропоршневой мотор был спроектирован в Московском авиационном институте (МАИ) в 1936 году и предназначался для силовой установки экспериментального самолета. Двигатель работал на перегретом паре с давлением 6 МПа и температурой 380°С и на оборотах до 1800 об/мин.

В современной России нужно выделить научную группу «Промтеплоэнергетика» МАИ, которая предлагает довольно оригинальное решение вопроса экономически целесообразного применения паропоршневых машин в малой и децентрализованной энергетике России. Разработчики предлагают создавать паропоршневые двигатели на базе серийно выпускаемых дизельных поршневых двигателей. В конструкции ДВС сохраняется почти весь механизм газораспределения, который в ППУ становится механизмом парораспределения, также сохраняется кривошипно-шатунный механизм. Подобный подход обеспечивает низкую стоимость парового двигателя, в отличие от зарубежных аналогов, благодаря тому, что в производстве используются серийные автомобильные двигатели и запчасти к ним. Кстати, понятие «паропоршневые двигатели» впервые было введено в 2003 году именно научной группой «Промтеплоэнергетика» МАИ.

Где использовать паровые машины эффективно?

В качестве объектов, энергетическую эффективность которых можно повысить при использовании современных паровых машин, могут выступать:

  • промышленные и муниципальные котельные с паровыми котлами (паровая машина для привода электрогенератора);
  • паросиловые мини-теплоэлектроцентрали (мини-ТЭЦ), где паровую машину целесообразно устанавливать вместо маломощных паровых лопаточных и винтовых турбин, особенно если электрическая мощность последних до 1,2 МВт и они изготовлены в одноступенчатом варианте или же в многоступенчатом, но без промежуточного отбора пара;
  • технологические производственные установки на предприятиях, где по условиям реализации основных процессов выпуска продукции есть возможность с помощью парового котла-утилизатора использовать сбросное тепло (например, в металлургии подобными установками могут выступать крупные сталеплавильные печи, а в стекольной промышленности — печи для варки стекла, на цементных, консервных и маслоэкстракционных, ликероводочных заводах и во многих других отраслях промышленности). Использование для этого технологии ORC (органического цикла Ренкина) — более дорогое решение, учитывая и то, что модули ORC в России не производятся.

Технологические решения для мини-ТЭС — конденсационных мини-электростанций (мини-КЭС) и мини-ТЭЦ — с использованием современных паровых машин принципиально схожи с известными, реализуемыми на паротурбинных мини-ТЭС. Это комбинированное производство электрической и тепловой энергии (когенерация на мини-ТЭЦ, в т. ч. создаваемых на базе котельных с паровыми котлами) либо так называемая тригенерация (см. рис. 1), т. е. выработка одновременно трех видов энергии (электрической, тепловой и холодильной). В качестве холодопроизводящего оборудования при тригенерации на паросиловых мини-ТЭС используются абсорбционные холодильные машины, для работы которых вполне достаточно отработавшего в паровом двигателе водяного пара. Такой вариант значительно экономичнее, чем выработка холода с помощью электрических кондиционеров.

В качестве заключения

Паропоршневые мини-ТЭЦ, работающие на биомассе, энергоэффективнее паротурбинных, газопоршневых (при работе на генераторном газе, полученном путем газификации биомассы) и дизельных. В паропоршневых мини-ТЭЦ удельный расход пара на выработку электроэнергии в 1,3-1,5 раза меньше, чем в паротурбинных мини-ТЭЦ, особенно при мощности 1200-1500 кВт. Современные паровые поршневые машины вполне могут использоваться в децентрализованной энергетике России. Применяя местные альтернативные виды топлива, в основном древесную биомассу, можно успешно заменить во многих регионах дизель-генераторы паровыми машинами (паропоршневыми установками) и дополнительно получать тепловую энергию, в результате отказаться от северных завозов угля и дизтоплива. Применение ППУ может способствовать энергосбережению при эксплуатации технологических и энергетических установок, в частности тех, у которых при работе выделяется сбросное тепло в виде выхлопных или дымовых газов.

Сергей ПЕРЕДЕРИЙ, Германия,
s.perederi@eko-pellethandel.de

В статье использованы некоторые материалы научной группы «Промтеплоэнергетика» МАИ и кафедры «Атомная и тепловая энергетика» Санкт-Петербургского политехнического университета им. Петра Великого

Парораспределение судовых паровых машин

Назначение парораспределительного механизма и его составные части

Парораспределительный механизм предназначен для обеспечения впуска свежего пара в цилиндры и выпуска из них отработавшего пара для изменения мощности и реверсирования машин, т. е. изменения направления вращения коленчатого вала. Экономичность паровой машины и плавность ее хода полностью зависят от правильности установки и регулировки парораспределительного механизма.

Парораспределительный механизм паровой машины состоит из внутреннего и внешнего органов. Внутренним органом является золотник или клапан, регулирующий впуск и выпуск пара по полостям цилиндров. Внешним органом парораспределительного механизма является привод, который связан с коленчатым валом и обеспечивает согласование положения золотника или клапана с положением поршня.

В судовых паровых машинах наиболее распространено золотниковое парораспределение.

На рис. 53 изображена простейшая схема одноцилиндровой паровой машины с золотниковым парораспределением. Золотниковая коробка паровыми каналами сообщается с верхней и нижней полостями цилиндра. При показанном на рисунке положении золотника в верхнюю полость впускается свежий пар, а из нижней выпускается отработавший пар. Золотник приводится в движение приводом, состоящим из золотникового штока, эксцентриковой тяги, бугеля и эксцентрика.

Золотник представляет собой прямоугольную коробку. Справа вверху показан вид, на золотник со стороны внутренней полости (заштрихованная), а справа внизу — поверхность золотниковой коробки, называемая золотниковым зеркалом, по которой скользит золотник. Золотник имеет кромки, называемые внешними и внутренними парораспределительными кромками.

На рисунке слева заштрихованы верхнее и нижнее паровпускные окна золотниковой коробки. Среднее окно, соединенное с трубой отработавшего пара, называется паровыпускным окном.

Золотники

Классификация золотников производится по нескольким признакам.

По конструкции — на плоские (коробчатые) и цилиндрические с перекрышами и без перекрышей.

По способу впуска пара — с наружным или внутренним впуском, с двойным впуском и одинарным выпуском, с двойным впуском и двойным выпуском.

Конструкции золотников приведены на рис. 54 и 55.

На рис. 54 показано взаимное расположение эксцентриситетов, мотылей и золотников при внешнем и внутреннем подводах пара.

Золотник, у которого высота полей h равна высоте паровпускных окон «а», называется золотником без перекрышей или простым (нормальным) золотником.

Золотник, который в среднем положении не только закрывает паровпускные окна, но и перекрывает их своими удлиненными полями, называется золотником с перекрышами. Часть поля золотника, перекрывающая окно со стороны впуска пара, называется паровпускным перекрышем, а со стороны выпуска — паровыпускным перекрышем. Высота верхнего hB и нижнего hH полей золотника определяется суммированием соответствующих высот паровпускных окон а1 и а2, паровпускных Рв и Рн и паровыпускных qB и qH перекрышей.

Впуск пара называется внешним, если свежий пар поступает в цилиндр из золотниковой коробки, проходя мимо внешней кромки золотника.

Впуск пара называется внутренним, если свежий пар поступает в, цилиндр через внутреннюю полость золотника мимо внутренней кромки его.

В современных судовых паровых машинах применяются цилиндрические и плоские золотники. Последние используются преимущественно для цилиндра низкого давления в машинах многократного расширения и иногда для цилиндра среднего давления, если давление в золотниковой коробке ЦСД не превосходит 6—8 кГ/см 2 . Для ЦВД и ЦСД машин трехкратного расширения чаще всего применяют простые цилиндрические (рис. 55, а) или с дополнительным каналом для впуска пара (рис. 55,6) золотники; для ЦНД, а иногда и для ЦСД— плоские с кромками (рис. 55, в и г) или пятипролетные коробчатые (рис. 56, д).

Главное преимущество цилиндрических золотников перед плоскими — полная уравновешенность их от прижимающего действий пара, а недостаток — большое вредное пространство.

Золотники с дополнительным каналом (рис. 55,6) обеспечивают двойной впуск и простой выпуск пара. Дополнительные паровпускные каналы в паровпускных перекрышах позволяют уменьшить мятие пара при впуске и сократить ход золотника за счет уменьшения эксцентриситета на 15—20%.

Золотники с крышкой — это уравновешенные золотники с двойным впуском и двойным выпуском пара.

В зависимости от конструкции и паровпускной кромки (внешней или внутренней) они могут иметь внешний (см. рис. 55, в) или внутренний (см. рис. 55, г) подвод пара.

Пятипролетный коробчатый золотник (см. рис. 56,д) обеспечивает двойной впуск и двойной выпуск пара за счет дополнительных сквозных поперечных каналов.

При парораспределении золотниками с двойным впуском и двойным выпуском пара значительно уменьшается мятие пара, а эксцентриситет выполняется в два раза меньшим, чем для простого золотника.

Плоские и цилиндрические золотники изготовляют из высококачественного серого чугуна тех же марок, из которых изготовлены золотниковые втулки или зеркало золотника (СЧ24-44, СЧ28-48).

Парораспределительные приводы

Схема двухэксцентрикового привода с кулисой секторного типа, применяемого в главных и вспомогательных паровых машинах, приведена на рис. 56, а. Установленные рядом два эксцентрика служат один для переднего, другой для заднего хода. Эксцентрик представляет круглый чугунный (или стальной) диск, эксцентрично и жестко насаженный на коленчатый вал, который служит своего рода мотылем.

Угол между направлениями мотыля и эксцентриситета называется углом установки эксцентриситета. Величина угла установки зависит от способа подвода пара и конструкции золотника. Эксцентрики охватываются бугелями, которые соединены с нижними концами эксцентриковых тяг. Верхние концы тяг соединены с сектором кулисы при помощи подшипников. По сектору кулисы скользит ползун золотникового штока, называемый кулисным камнем.

Читать еще:  402 двигатель как ставит поршня

Реверсирование машины обеспечивается подводом того или иного конца кулисы к головке золотникового штока (кулисному камню). Сектор кулисы перемещается с помощью тяги путем поворота переводного вала и жестко сидящего на нем мотыля.

Поворот переводного вала у машин малой мощности осуществляется обычно вручную посредством штурвала или рычага. У машин большой мощности поворот вала осуществляется специальной переводной паровой машиной.

При среднем положении кулисы, т. е. когда кулисный камень будет находиться на ее середине, на золотник будут действовать одновременно оба эксцентрика. В этом случае парораспределение будет расстроено и машина не сможет вращаться, что соответствует положению «стоп».

Кроме рассмотренного двухэксцентрикового кулисного привода, у некоторых машин применяются одноэксцентриковые и безэксцентриковые золотниковые приводы. Основное преимущество их состоит в том, что золотниковые коробки с золотниками могут располагаться сбоку цилиндров. Этим сокращается общая длина машины.

Наибольшее распространение получил одноэксцентриковый привод с подвесной тягой (рис. 56,б).

Изменение направления вращения коленчатого вала производится путем перемены положения подвесной тяги переводным мотылем вручную штурвалом или переводной машиной.

Парораспределение простым золотником и золотником с перекрышами

Парораспределение простым золотником

При нахождении мотыля в верхней мертвой точке, как показано на рис. 57, а, при внешнем подводе свежего пара ни впуска, ни выпуска пара из полостей цилиндра не должно происходить, так как золотник находится в среднем положении. Для выполнения этого условия угол между радиусом мотыля и эксцентриситетом составляет 90° и эксцентрик движется впереди мотыля.

При движении золотника вниз открываются паровые окна. Пар поступает в верхнюю полость цилиндра и выходит из нижней. Поршень движется вниз. Когда поршень займет среднее положение, золотник придет в крайнее нижнее положение и откроет полностью паровые окна. Мотыль ОА и эксцентриситет Оа эксцентрика займут положение, указанное на рис. 57, б.

При дальнейшем движении поршня вниз золотник пойдет вверх и займет среднее положение при крайнем нижнем положении поршня. Впуск и выпуск пара в цилиндр прекратятся.

Двигаясь вверх, золотник опять откроет окна. Теперь пар начнет поступать в нижнюю полость цилиндра и выходить из верхней. Поршень будет двигаться вверх.

Чередованием описанных процессов обеспечивается работа паровой машины.

Аналогично будет работать машина и при внутреннем впуске пара. В этом случае угол установки эксцентрика составляет также 90°, но он (эксцентрик) будет следовать за мотылем.

В рассматриваемом случае впуск свежего пара в цилиндр происходит в течение всего хода поршня от в.м.т. к н.м.т. полным давлением без расширения. В результате экономичность машины низкая, вращение вала происходит рывками (неравномерно) и переход поршня через мертвые точки затруднителен. Поэтому простые золотники применяются лишь в некоторых вспомогательных сдвоенных паровых машинах (рулевых, валоповоротных, лебедках и т. д.).

Парораспределение золотником с перекрышами

Все главные паровые машины, а также ответственные вспомогательные механизмы снабжаются золотниками с перекрышами, благодаря чему машины работают плавно и более экономично.

При золотнике с перекрышами впуск свежего пара в цилиндр происходит не на протяжении всего хода поршня, а лишь на определенной части его, после чего поршень движется под действием давления расширяющегося пара в цилиндре. В дальнейшем производится предварение выпуска, т. е. выпуск пара из работающей полости начинается еще до прихода поршня в крайнее положение.

Кроме того, при подходе поршня к крайнему положению прекращается выпуск отработавшего пара из другой полости (отсечка выпуска), благодаря чему оставшийся пар сжимается поршнем. При этом создается упругая паровая подушка, которая смягчает переход мотыля через мертвую точку.

Перед приходом поршня в крайнее положение золотник открывает впуск свежего пара навстречу поршню (предварение впуска), вследствие чего поршень плавно переходит через крайнее положение и сразу движется в обратном направлении.

Таким образом, при перемещении поршня из верхнего крайнего положения в нижнее происходят следующие процессы в цилиндре: предварение впуска и впуск пара, расширение пара, предварение выпуска, выпуск и сжатие пара.

Если поршень находится в одном из крайних положений, то для впуска пара в соответствующую полость золотник с перекрышами не должен стоять в среднем положении. Он должен быть сдвинут так, чтобы его внешняя кромка совпадала с кромкой паровпускного окна. Обычно для получения предварения впуска золотник устанавливается так, чтобы при крайнем положении поршня паровпускное окно в соответствующую полость было уже открыто на некоторую величину, называемую линейным опережением (Vв — верхним и Vн— нижним). Эксцентрик при этом имеет угол установки больший 90° на величину угла опережения «b». При внутреннем подводе пара угол установки эксцентрика меньше 90° на величину «b».

На рис. 57, II показаны основные моменты парораспределения золотником с перекрышами, положения поршня, мотыля и эксцентрика за один ход поршня от в.м.т. к н.м.т.

Назначение перекрышей и угла опережения

От правильной установки золотников и угла опережения в значительной мере зависят мощность машины, ее экономичность и легкость маневрирования. Изменение перекрышей и угла опережения оказывают большое влияние на парораспределение и его моменты.

Паровпускные перекрыши служат для впуска и отсечки впуска пара, а паровыпускные — для выпуска и отсечки выпуска, т. е. для сжатия. Паровпускные перекрыши всегда больше паровыпускных. У цилиндров с большим предварением выпуска и малой степенью сжатия поля золотника со стороны выпуска могут не иметь перекрышей, т. е. q = 0 или даже иметь отрицательные паровыпускные перекрыши.

При увеличении паровпускного перекрыша Р (см. рис. 54) предварение впуска наступит позже, а отсечка впуска раньше.

Величина паровыпускных перекрышей не оказывает никакого влияния на впуск пара. Но при увеличении паровыпускного перекрыша предварение выпуска наступит позже, а сжатие пара раньше.

При уменьшении перекрышей произойдут обратные изменения в парораспределении.

Наконец, продолжительность периода расширения зависит от величины как паровпускных, так и паровыпускных перекрышей, при этом увеличение паровпускного перекрыша увеличивает, а уменьшение паровыпускного перекрыша сокращает продолжительность расширения пара в цилиндре.

Изменение угла опережения «b» влечет изменение всех моментов парораспределения. При его увеличении все моменты парораспределения наступят раньше, причем степень впуска пара уменьшится, а степень предварения впуска, предварения выпуска, сжатия пара и линейное опережение увеличатся.

При уменьшении угла опережения «b» будут иметь место обратные изменения в парораспределении.

Это наблюдается при неверной установке эксцентрика на валу во время сборки машины или при изменении мощности паровых машин с бескулисными приводами и поворотными эксцентриками.

ПАРОВОЙ РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ и ПАРОВОЙ АКСИАЛЬНО- ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

Паровой роторный двигатель (паровая машина роторного типа) является уникальной силовой машиной, развитие производства которой до настоящего времени не получило должного развития.

С одной стороны- разнообразные конструкции роторных двигателей существовали ещё в последней трети 19-го века и даже неплохо работали, в том числе и для привода динамо-машин с целью выработки электрической энергии и электроснабжения всяких объектов. Но качество и точность изготовления таких паровых двигателей (паровых машин) было весьма примитивным, поэтому они имели малый КПД и невысокую мощность. С тех пор малые паровые машины ушли в прошлое, но вместе с действительно малоэффективными и бесперспективными поршневыми паровыми машинами в прошлое ушли и имеющие хорошую перспективу паровые роторные двигатели.

Главная причина- на уровне технологий конца 19-го века сделать действительно качественный, мощный и долговечный роторный двигатель не представлялось возможным.
Поэтому из всего многообразия паровых двигателей и паровых машин до нашего времени благополучно и активно дожили лишь паровые турбины огромной мощности (от 20 мВт и выше), на которых сегодня осуществляется около 75% выработки электроэнергии в нашей стране. Еще паровые турбины большой мощности дают энергию от атомных реакторов в боевых подводных лодках-ракетоносцах и на больших арктических ледоколах. Но это все огромные машины. Паровые турбины резко теряют всю свою эффективность при уменьшении их размеров.

…. Именно поэтому силовых паровых машин и паровых двигателей мощности ниже 2000 — 1500 кВт (2 — 1,5 мВт), которые бы эффективно работали на паре, получаемом от сжигания дешевого твердого топлива и различных бесплатных горючих отходов, сейчас в мире нет.
Вот в этой –то пустой сегодня области техники (и абсолютно голой, но очень нуждающейся в товарном предложении коммерческой нише), в этой рыночной нише силовых машин небольшой мощности, могут и должны занять своё очень достойное место паровые роторные двигатели. И потребность в них только в нашей стране — на десятки и десятки тысяч… Особенно такие малые и средние по мощности силовые машины для автономное электрогенерации и независимого электроснабжения нуждаются малые и средние предприятия в отдаленных от больших городов и крупных электростанций местностях: — на малых лесопилках, отдаленных приисках, на полевых станах и лесных делянках, и пр. и др.
…..

..
Давайте рассмотрим показатели, из-за которых паровые роторные двигатели оказываются лучше, чем их ближайшие сородичи — паровые машины в образе поршневых паровых двигателей и паровых турбин.
… — 1)
Роторные двигатели являются силовыми машинами объемного расширения – как поршневые двигатели. Т.е. они обладают небольшим потреблением пара на единицу мощности, потому что пар подается в их рабочие полости время от времени, и строго дозированными порциями, а не постоянным обильным потоком, как в паровых турбинах. Именно поэтому паровые роторные двигатели гораздо экономичнее паровых турбин на единицу выдаваемой мощности.
— 2) Роторные паровые двигатели имеют плечо приложения действующих газовых сил (плечо крутящего момента) значительно (в разы) больше, чем поршневые паровые двигатели. Поэтому развиваемая ими мощность гораздо выше, чем у паровых поршневых машин.
— 3) Паровые роторные двигатели имеют гораздо большее рабочий ход, чем поршневые паровые двигатели, т.е. имеют возможность переводить большую часть внутренней энергии пара в полезную работу.
— 4) Паровые роторные двигатели могут эффективно работать на насыщенном (влажном) паре, без затруднений допускать конденсацию значительной части пара с переходом её в воду прямо в рабочих секциях парового роторного двигателя. Это так же повышает КПД работы паросиловой установки с использованием парового роторного двигателя.
— 5 ) Паровые роторные двигатели работают на оборотах в 2-3 тыс. оборотов в минуту, что является оптимальной частотой вращения для выработки электричества, в отличие от слишком тихоходных поршневых двигателей (200-600 оборотов в минуту) традиционных паровых машин паровозного типа, или от слишком быстроходных турбин (10-20 тыс. оборотов в минуту).

При этом технологически паровые роторные двигатели относительно просты в изготовлении, что делает затраты на их изготовление относительно невысокими. В отличие от крайне дорогостоящих в производстве паровых турбин.

Читать еще:  Что такое опроры двигателя

ИТАК, КРАТКИЙ ИТОГ ЭТОЙ СТАТЬИ — паровой роторный двигатель является весьма эффективной паровой силовой машиной для преобразования давления пара от тепла сгорающего твердого топлива и горючих отходов в механическую мощность и в электрическую энергию.

Автором настоящего сайта, уже получены более 5 патентов на изобретения по разным аспектам конструкций паровых роторных двигателей. А так же произведено некоторое количество небольших роторных двигателей мощностью от 3 до 7 кВт. Сейчас идет проектирование паровых роторных двигателей мощностью от 100 до 200 кВт.
Но у роторных двигателей есть «родовой недостаток» — сложная система уплотнений, которые для маленьких по размерам двигателей оказываются слишком сложными, миниатюрными и дорогими в изготовлении.

В 2016-18 гг я сделал и испытал несколько моделей поршневых опозитных и аксиально поршневых моторов.. Данные компоновки представлялись наиболее энерго — производительной по мощности вариацией из всех возможных схем применения поршневой системы. Внизу размещено видео использования маленького аксиально-поршневого оппозитного двигателя с встречным движением поршней.

Но по итогам работы сделан вывод- что общий итог работы с поршневыми двигателями- неудовлетворителен. Почему такой вывод-для этого нужно писать целую большую почти научную работу, с материалами на несколько кандидатский диссертаций…. Главное- что поршневые двигатели не могут работать без смазки. А настоящий паровой двигатель (как паровая турбина) должен работать без смазки. Ибо при температуре перегретого пара в 350-380 град- любая смазка тут же обуглится. И такой плохой результат был получен на материалах высокого качества — так пара трения «поршень- цилиндр» — подвергнута ионно -плазменному азотированию в вакуумной среде и твердость поверхностей трения составляет 62-64 ед по HRC. Подробно о процессе упрочения поверхности методом азотирования смотри ТУТ.

http://www.youtube.com/watch?v=W0wolj41ods
Вот анимация принципа работы похожего по компоновке такого аксиально- поршневого оппозитного двигателя с встречным движением поршней

Первые пуски малого парового роторного двигателя

….. Многие посетители моего сайта спрашивают — а каково потребление твердого топлива в таких малых паро-силовых установках а единицу мощности?
…. Отвечаю — на угле на 1 квт-час выработки электричества идет расход примерно 1,2 — 1,3 кг угля, или 1,6 — 2 кг дров, щепы, опила — в зависимости от их влажности.

. МАТЕРИАЛЫ — МАЙ 2020 г.

Видео ролик с работой парового роторного двигателя.
https://www.youtube.com/watch?v=bFi8CgLLfok

На моем небольшом предприятии в Краснодаре налажено штучное производство под заказ малых паро -силовых установок с роторным двигателем мощностью от 1 до 5 квт. В перспективе можно делать установки до 30 квт мощности.

Заказы присылайте на почту igg-iss@yandex.ru
либо связь по Скайп iggiss2

Вот пример такой малой установки

Кому интересны подробности работы малой паро-силовой техники — смотрите тут:
маневры котлом и работа двигателя в разных режимах:

Компаундный двигатель внутреннего сгорания

Однако возможность использования компаундного двигателя не ограничивается только паровозами. Так выставке «Engine EXPO 2009» британская фирма «Ilmor Engineering» показала публике образец пятитактного ДВС, который можно применить на автомобиле. Герхард Шмитц, автор идеи, использовал в одном моторе четырех- и двухтактную схему. Три цилиндра 5-тактного двигателя внутреннего сгорания имеют разный внутренний диаметр. Меньшие (высокого давления) – первый и третий – работают по обычному четырехтактному циклу. Средний (низкого давления) использует остаточное расширение отработавших газов из меньших цилиндров в двухтактном режиме.


Как работает компаундный ДВС: в течение первых трех тактов смесь, как в обычном четырёхтактном ДВС, всасывается, сжимается и совершает рабочий ход в малых цилиндрах. Во время 4-го такта отработавшие газы перемещаются из малых цилиндров в больший и сжимаются. Остаточное расширение газов в большем цилиндре обусловливает пятый, рабочий такт.

Паровик

Полный отчет об изготовлении простенького парового двигателя. Делал в основном из любопытства: одно дело теоретически знать, как там все работает, совсем другое — решить инженерную задачу изготовления паровика из всякого хлама.

Немного теории

Базовые принципы изготовления паровика изложены в книге Абрамова «Самодельные электрические и паровые двигатели». Идея использовать сантехническую арматуру взята из статьи «Паровой двигатель без станков и инструментов». Кое-что почерпнул из обсуждения «Паровой двигатель своими руками из дверных замков».

Принцип действия парового двигателя. Пар из котла подается в трубку золотника 1. В этой трубке ходит поршенек 2. В том положении золотника, который изображен на левом рисунке, пар проходит по трубке 4 в цилиндр 5 и толкает поршень 6. Шатун 7 толкает кривошип 8 вала 9. Вал с маховиком 10 проворачивается и второй кривошип 11 толкает тягу 12. Тяга закрывает золотник, перекрывая подачу пара из котла и стравливая давление в цилиндре. За счет маховика вращение вала не останавливается и продолжается движение до следующего цикла.

Закупаемся

Все детальки были в наличии дома или докупались по мере необходимости в близлежащих магазинах.

Из сантехнического магазина: полудюймовый сгон на 75 мм, тройник, 2 штуцера на 7 мм и 4 штуцера на 9 мм, 4 полудюймовых муфты, стандартный крепеж для полипропиленовых труб — 4 шт.

Из магазина метизов: болты, гайки, гроверные шайбы и просто шайбы на 4 и 5 мм, россыпью, без счета. Отдельно длинная шпилька на 4 мм. Крепеж – 2 оцинкованных уголка на 75 x 75 мм, по 2 пластины на 80 и 100 мм. И еще 6 уголков на 15 x 15 мм. И еще нужен шланг на 8 мм, около 1 метра, чтоб с запасом.

Из спортивного магазина – хоккейная шайба.

Мастерим

Из штуцеров на 7 мм делаем головки цилиндров. Спиливаем лишнее, при желании еще можно рассверлить отверстие до 5 мм. Если оставить на 4 мм, то иногда закусывает шток поршня.

Шток поршня делается из 70 мм болта М4. Сам поршень состоит из двух гаек, между которыми плотно накручена ФУМ лента. На другом конце – крепление для шатуна, в моем случае – уголок 15 x 15 мм. Посередине – головка цилиндра. После сбора поршень надо притереть в цилиндре. В последствии поршень смазывал перед каждым запуском литолом.

Золотник нужен для управления потоком пара. Делаем его из тройника, на который с одной стороны через муфту прикручен поршень, с другой – 9 мм штуцер посаженый на ФУМ ленту. Сверху потом надо будет добавить еще один штуцер.

Поршень рабочего цилиндра делается из шпильки М4 длиной 75 мм. Технология изготовления аналогична поршню для золотника.

Рабочий цилиндр выполняет основную работу. Собирается из 75 мм сгона, 2 муфт, поршня и штуцера на 9 мм.

Золотник и рабочий цилиндр в сборе.

Шатуны нужны для преобразования поступательного движения во вращательное. Изготавливаются из 75 мм болтов М4, на концах – 15 мм уголки.

Кривошипно-шатунный механизм в сборе. Плечи кривошипа делаются из оцинкованных пластин, которые скрепляются между собой 40 мм М5 болтом. На кривошип сажается шатун, шатун крепиться к поршню. Изначально ход поршня планировался 70 мм, ход золотника 40 мм (это удвоенное расстояние между отверстиями в пластине или удвоенное плечо кривошипа). Потом, в процессе доработки стало 46 мм и 20 мм соответственно.

Половинка коленчатого вала. По сути сам вал – это два болта. Один болт, коротенький, 30 мм М5, второй длинный – 60 мм М5. На длинном потом будет висеть маховик. К болтам, под углом 90 градусов, крепятся кривошипы.

Сборка основания коленчатого вала. Вал висит на оцинкованных 75 мм уголках. Уголки крепятся к куску 14 мм фанеры.

Чтобы поршни были в одной плоскости с валом, монтируем на основании площадку из фанеры высотой 28 мм. На площадку ставим рабочий цилиндр и золотник. Выравниваем их положение, чтобы добиться оптимального хода поршней.

На золотник наворачиваем штуцер на 9 мм. Соединяем шлангом рабочий цилиндр и золотник. Все крепим, тестируем, переделываем. И еще раз, и еще…

Испытания двигателя

Не стоит надеяться, что эта фигня сразу заработает. Поэтому берем автомобильный компрессор, которым колеса накачивают, и подсоединяем его шлангом к золотнику, вместо котла. Компрессор легко обеспечивает рабочие давление в пару атмосфер, а мы вылавливаем ошибки конструкции.

В результате получаем работающий от компрессора двигатель:

Хоккейная шайба не потянула на маховик, пришлось вешать дополнительный противовес в виде накидного ключа на 14.

Работа от пара

Паровая машина с котлом. Котел собрал из уголка, бочки и муфты на 32. С торцов две закрытые заглушки. Сверху заглушка с внутренней резьбой на полдюйма.

До постройки модели был наивно уверен, что главная часть паровой машины – двигатель. По факту оказалось, что наиболее важен котел. Мои заблуждения были настолько глубоки, что поначалу попробовал запустить котел от 2 свечей. Ага, щас, за полчаса вода даже не начала закипать.

В результате котел грел на газе. С момента поджига рабочее давление достигается минуты через пять. Пара вырабатываемого котлом хватает примерно на 10 секунд работы двигателя, потом опять надо примерно 30 сек. набирать давление. Двигатель можно запускать в течении двух-трех минут, потом давление пара резко падает. До полного выкипания воды в котле проходит где-то 10 минут.

Все это безобразие мгновенно нагревается, пар получается непривычно горячим (если что — в кипящем чайнике пар относительно холодный), обжечься элементарно, ничего касаться нельзя. Из-за агрессивной среды оцинкованные болты окисляются чуть ли не на глазах.

Pavel Senotrusov

Здравствуйте а можно весь список необходимых деталей , что бы за 1 раз можно было все купить?

Сразу должен предупредить – проект не самый удачный: рабочий цилиндр великоват, для него нужно много пара. От автомобильного компрессора работает нормально, а вот с котлом придется помудрить. Для парового двигателя, сантехника: Сгон 1/2 дюйма L75 мм – 1 шт. Тройник обжимной с переходом на внутреннюю резьбу, 16 мм х 1/2 дюйма – 1 шт. Штуцер 1/2 дюйма на 7 мм – 2 шт. Штуцер 1/2 дюйма на 9 мм – 4 шт. Муфта 1/2 дюйма – 4 шт. Крепеж для полипропиленовых труб 20 мм – 4 шт. Шланг d8 мм – 1 метр. Хомуты 8-12мм – 4шт. Метизы Болты М4 70мм – 4шт. Болты М4 15мм – 2шт. Болты М5 40мм – 2шт. Болт М5 30мм – 1шт. Болт М5 60мм – 1шт. Болты берите с запасом. Гайки, гроверные шайбы и просто шайбы на 4 и 5 мм не считал, берите всего по 20, должно хватить. Шпилька М4 – стандартно продается по метру. Оцинкованный уголок 75мм х 75мм – 2 шт. Оцинкованная пластина 20мм x 100мм – 2 шт. Оцинкованный уголок 15мм x 15мм – 6 шт. Примерно так.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector