Как найти мощность паровой машины

Изучение принципов работы паровых двигателей, их особенностей и свойств на примере построенной экспериментальной модели.

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Текст работы размещён без изображений и формул.
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:

N_эф = ¾ N_i

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:

N_i =

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:

N_i = = 0.09 л.с.

N_эф = 3/4N_i = 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:

N_i = 0,37 л.с. ,

N_эф = 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: 

Просмотров работы: 940

Unit Converter

Здесь два листочка на которых развернуты общие принципы определения мощьности парового двигателя и приведен расчет одного конкретного.

Посидел с карандашем и калькулятором. Попытался разобраться.

Мне кажется автор этих замечательных манускриптов допустил некоторую неточность в примере расчета паровой машины:

а именно площаль поршня S он определяет как 7,06 кв см.

Для расчета силы, с которой поршень давит на колено коленвала, надо площадь поршня умножить на давление, т.е. P=S*атм

Автор рассчитывает P=7,06*1,5=10,5 кг.

Мне кажется, что площадь поршня должна исчисляться не в ка см, а в кв м.

Стало быть S=0,000706 кв м. И все остальные результаты меняются:

P=0,001059 кг

М=0,000016944 кгм

W=0,0001064832 кгм

Ng=0,00001419776 л.с. = 0,00104395294 Ватт

Т.е. 0,14 л.с., а 0,00014 л.с.

Паровые машины. Теория и практика. Расчет парового двигателя

Эффективная мощность паровой машины

Эффективной мощностью Ne называется мощность, переданная на вал машины; эту мощность можно полезно использовать.

Эффективная мощность меньше индикаторной на величину Nr, затраченную на преодоление трения в механизме машины и на приведение в действие вспомогательных механизмов. т.е.

Ne=Ni – Nr.

Отношение эффективной мощности к индикаторной называется механическим коэффициентом полезного действия (к.п.д.) машины и обозначается ?м; таким образом,

?м=Ne/Ni ;   ( I,9)

тогда

Ne= ?мNi.  (I, 10)

Механический к.п.д. можно приблизительно найти по формуле

?м = K + 0.00005 Ne,    (I, 11)

где К = 0,86 ?0,92 в зависимости от конструкции и степени совершенства изготовления машины. Формула относится к одноцилиндровым горизонтальным машинам без конденсации.

?м конденсационных машин и машин двойного расширения на 2-3 % меньше, чем у горизонтальных машин без конденсации; ?м вертикальных машин на 2-3% больше, чем горизонтальных. Обычно для горизонтальных машин ?м = 0,88 ? 0,92, а для вертикальных ?м = 0,9 ? 0,96.

Из выражения

?м= Ne/Ni = Ni- Nr / Ni = 1 – Nr / Ni

видно, что механический к.п.д. возрастает с увеличением нагрузки машины.

Эффективная мощность, с которой двигатель работает с наименьшим расходом теплоносителя (пара или топлива) на 1 л.с. ч, называется экономической мощностью.

Наибольшая эффективная мощность, с которой машина может работать неограниченное время вполне безопасно, называется номинальной мощностью, или максимальной продолжительной мощностью.

Эффективная мощность, с которой можно допустить работу машины лишь в течении небольшого промежутка времени (15-30 мин.), называется максимальной кратковременной мощностью.

Действие машины без совершения полезной работы называется холостым ходом.

vdvizhke.ru

Паровые машины. Теория и практика.

“Паровые машины.Теория и практика.”1922 год 6 издание.К написанию заметки подвигло желание дать в руки альтернативщикам  простой и понятный инструмент расчета девайса. Заодно и вспомнить основные  принципы работы паровых машин.

Основные принципы паровой машины , надеюсь понятны. Кому не понятны -причитают в книге

http://openlibrary.org/books/OL23340867M/Steam-engine_theory_and_practice

или википедии. Одноцилиндровые машины достаточно примитивны и хорошо потому описаны. Котел-золотник-цилиндр — атмосфера. Просто и понятно.

Разводить  водой не будем — сразу переходим к интересующиму нас вопросу.

Морским паровым машинам.

(В первой редакции простые ПМ не рассматривал.До первого коммента ( погибшего).Действительно –  никто не мешает сделать тотж “Новик” аж на 4х винтах , влепив 4 компаунда. Но одноцилиндровая – все таки на мой взгляд перебор) Выбрасывать воду в виде пара на  море- довольно расточительно. Корабль- не мельница на речке- пресной воды нет (те конечно есть – но её достаточно мало). Можно, конечно, питать котлы заборной водой, но сразу встает вопрос засоления трубок котлов. И придумали оригиальну вещь . Пар из первого цилиндра ( раширившись и совершив какую-то работу) идет во второй цилиндр и делает уже работу там . Опять расширившись он не выбрасывается в атмосферу а идет в холодильник , где конденсируется до состояния воды и идет обратно в котел. Так появились машины двойного расширения. Добавив третий цилиндр- получили машины тройного расширения.Потом подобный девайс еще усовершенствовали- разделили цилиндр низкого давления на два .

Эту схему,применяли  гтам, де один  цилиндр низкого давления становился слишком большим при  литье. Это также удобно для  более действенной балансировки двигателя.Холодильник.

Машина одинарного расширения.

применялись при давлении пара 35 фунтов/дюйм2 ( 2,5 атм)

Машины двойного расширения ( компаунд)

применялись при давлении пара 60-100 фунтов/дюйм2 ( 4-7 атм)

(схема на первом рис довольно оригинальна)

Машины тройного расширения

применялись при давлении пара 120-170 фунтов/дюйм2 и больше ( 4-7 атм)

3 цилиндра

4 цилиндра

6 цилиндров

Расчет скорости корабля в зависимости от мощности.( Формулы интересны скорее заклепочникам ) 

V-скорость в узлах, D-водоизмещение,  Н- мощность и.л.с, С-константа ( да.1/3 заменять на 0,33 и 2/3 заменять на 0,66 не рекомендую.Погрешность в полузла вылазит)

ТЕ приведены три константы

Для больших и быстрых (пассажирских)пароходов – 250

Для грузовых пароходов – 235

Для крейсеров и броненосцев- 225

Я лично для малых крейсеров в 2800-3300 т предлагаю – 200

Такто эта константа пишется и обозначается как “коэффициент Адмиралтейства” или “Адмиралтейский коэффициент”.И таблицы есть. Но врядли ктото из присутствующих станет конструировать яхту.

( ктото не согласен или хочет внести свои коэффициенты ( миноносцев вот нет пока) – пожалста, только аргуметируйте расчетом- поменяем)

Те вполне можно посчитаь нужную мощность ПМ в табличном редакторе  и построить очень красивые графики.

Расчет мощности ПМ ( в дюймовой системе).Имеется общая английская формула для расчета мощности в индикаторных лошадиных силах.( в милиметры пока  не перевел – диаметры английских и американских машин в дюймах довольно часто встречаются ) Мутным моментом при расчерте  яваляется среднее давление пара в цилиндре . Но если альтернативщик берет за основу какую-то уже рабочую машину- можно посчитать ее даление и уже на основе этой цифры играться с размерами цилиндров, чтоб поднять мощность.

Расчет мощности ПМ ( в метровой  системе).

alternathistory.com

Что требуется для постройки паровой машины « Попаданцев.нет

Итак, попаданец отлично обосновался в древности и у него появился настырный зуд построить паровую машину. Что конкретно нужно иметь, чтобы ее построить?…

Во-первых, нужно выяснить для чего ее применять. Основные применения — это стационарная машина как привод для станков или электрогенераторов, машина на паровозе и машина на пароходе.

Паровоз можно отметать сразу. Для него нужны железные дороги, а рельсы нельзя делать из чугуна — они лопаются под весом вагонов, рельсы должны быть стальными. А стальные рельсы — это развитая металлургия, которая не только умеет переделывать чугун на сталь в больших количествах, но и может эту сталь прокатывать. Производство рельс процесс непростой сам по себе, но в данном случае он должен быть еще и чрезвычайно массовым.

Паровая машина на производстве выглядит куда более привлекательной. Но какое именно производство попаданец собрался механизировать? Те станки, что будут у него в наличии, вполне можно вращать водяным колесом. Вопрос о паровике встанет только тогда, когда производство разрастется и мощности воды не хватит. Но, конечно, после обкатки паровика ему самое место на фабрике.

Еще более привлекательным выглядит паровая машина-генератор электричества. Ведь в отличие от современных ГЭС, в те времена тянуть линию ЛЭП к потребителю куда сложнее. Конечно, ГЭС никто не отменял (они до сих пор самые эффективные), но паро-генератор можно отложить чуть на потом, а пока мастерить гидроэлектростанцию.

А последнее применение в виде парохода — оно не просто самое привлекательное. Оно привлекательно именно с военной точки зрения. Ведь просто на каравеллу паровик поставить затруднительно — он займет все подпалубное пространство, да плюс еще и уголь возить где-то надо. В свое время на броненосцах во время дальних походов наваливали уголь везде, включая на палубе. Кроме того — на пароходе обязательно нужно паровая машина с конденсатором пара, иначе количество пресной воды не борту должно быть не меньше количества угля. А это — конкретное усложнение конструкции.

Но при этом паровая машина на корабле дает в бою 100 очков просто паруснику. Она не теряет ветер и позволяет зайти с самой неудобной стороны для противника. А в случае необходимости — уйти от преследования, тут несчастные 20 лошадиных сил дадут кумулятивный эффект.

Итак — для попаданца если и нужна паровая машина, то это должен быть компаунд двойного действия с конденсатором отработанного пара. Компаунд — чтобы мощность и КПД были хоть какие-нибудь.

Ну что же, приступаем.Сначала нам нужно рассчитать машину хотя бы в общем. То есть посчитать какое количество пара в час будет выдавать котел и какого давления. Под это все должна быть рассчитана топка. Если мощность топки окажется недостаточной, то котел вообще не удастся раскочегарить до требуемого давления, а если удастся — то после нескольких оборотов он это давление потеряет и следующий оборот машина сможет совершить только через несколько минут. Если же перестараться и котел будет мелким, а топка слишком большой — то уголь будет вылетать в трубу, а котел перегреваться и постоянно стравливать пар через предохранительный клапан.

Соответственно, в зависимости от количества пара необходимо рассчитать параметры поршней, их ход и диаметры цилиндров.К этому примыкает вопрос расчета кривошипно-шатунного механизма. То есть — диаметр маховика, и размер эксцентрика для золотника паровой машины. Следует так же учесть, что паропроводы, идущие к золотнику, должны быть рассчитаны по диаметру, исходя из давления пара и его весового количества.

Вот пусть программисты-попаданцы, положа руку на сердце, честно признаются — кто из них в состоянии это рассчитать? Потому как Ньюкомб и тем более Уатт это делали легко. Мне очень хочется увидеть, как современный офисный работник строит индикаторные диаграммы паровой машины и рассчитывает углы опережения золотника!

Итак, расчеты произведены. Задача непростая, но мы справились. Мы даже построили котел и выяснили, какое давление он выдержит — ну чтобы расчеты остального не были с потолка, здесь без натурного эксперимента никак.

Теперь посмотрим, что должно быть у нас для начала производства машины.Во-первых, должна быть достаточно развита металлургия. И не столько потому, что машина без нее окажется безумно дорогой, а потому, чтобы большое количество стали оказалось одинакового качества. Иначе тот же маховик придется отливать из сталей нескольких случайных выплавок со всеми вытекающими. Я уже молчу о котле из листов разного металла. Листы и заклепки должны быть четко подобраны по твердости, чтобы во время работы заклепки не посрезало.

Во-вторых — обязательно должно быть доступно резьбовое соединение.То есть — должен быть в наличии токарный станок с суппортом для точного нарезания резьбы.Заклепки хороши для котла, там усилие идет поперек заклепки. Но соединять фланцы труб заклепками невозможно — там усилие вдоль заклепки. В лучшем случае — начинает пропускать пар под давлением, в худшем — заклепки вылетают и пар вместо в цилиндры идет к кочегарам.Да и многие вещи без резьбы реализовать слабо возможно — хотя бы тот эксцентрик для золотника.Недаром именно постройка паровых машин дала толчок для резьбонарезных станков.Также хорошо озаботится сверлильным станком, ведь котлы будут собираться заклепками, а под них нужно сверлить дырки в толстых металлических листах, да еще и изогнутых.

Итак, это все мы решили, следующий этап — обеспечение точности.В паровой машине множество точно пригнаных деталей. Главная — паровые цилиндры. Зазор в цилиндре — это мощность и КПД.А еще есть такие детали, как центробежный регулятор оборотов, вентили для регулировки количества пара, да и в конце концов шкворневые соединения для кривошипа, чтобы они не разбились после двадцати минут работы. Иначе зачем нужна машина, которая впустую стравливает пар и после сотни оборотов клинит?

Ну что же, это все есть и можно приступать к постройке.Тут возникает куча технических моментов и затыков.Некоторые еще помнятся — например, нужно перед паровым цилиндром ставить еще один — чтобы направлять движение поршня, иначе поршень не ходит абсолютно линейно и быстро разбивается. Такой дополнительный цилиндр называется ползун и без него машин не строили.Но 99% проблем паровиков сейчас и не вспомнить. А проблемы там обязательно будут — например, как делать клапан, чтобы доливать воду в котел? Там ведь давление и не станешь же каждые 20 минут останавливать машину и доливать воды! А как определить, сколько воды осталось в котле? Все ли знают устройство водомерных трубок, если из текущего поколения никто их не то, что в глаза не видел, а и не слышал о таком?А из чего и как правильно делать набивку сальника для поршня паровой машины, в том месте, где он выходит из цилиндра? Ведь там, с одной стороны, должно быть герметизация (чтобы не выпускать пар), а с другой стороны — он постоянно движется и трется. А ведь температура в цилиндре будет не меньше 200 градусов!

И, кстати, проблемы с температурами. Часть машины будет горячей, а часть холодной. Как рассчитать тепловые расширения?Ведь тот же цилиндр будет состоять из разных частей и наружные окажутся достаточно холодными, напряжения в них следует учесть.Не покоробится ли золотник при высокой температуре?Как правильно построить систему смазки и какие части машины наиболее чувствительны к трению?Насколько удастся сделать отделение масла от отработанного пара в конденсаторе, без него же пароход не поплывет!

А уж вопросы эксплуатации — это вообще сказка! Обученного персонала не найти и очень важна «защита от дурака». Какие именно узлы особенно ее требуют и как ее конструктивно осуществить? Где вообще узкие места в надежности машины?Знает ли современный попаданец методику запуска и остановки паровой машины? Или вы думаете, что паровику прогрев не нужен?А что обозначают стуки в паровых цилиндрах и клацание в золотниках?И что бывает, когда вода вместо пара попадет в цилиндр?Как устранить резонанс при вращении маховика?Что делать при срыве вакуума в конденсаторе пара?Да там только с фундаментом для машины образуется воз и маленькая тележка проблем!

Вы еще хотите строить в древности паровую машину? Тогда мы идем к вам!

www.popadancev.net

Расчет маховика в паровых машинах

vdvizhke.ru

Коэффициенты полезного действия паровой машины

Рассматриваемые к. п. д. можно разделить на две основные группы: абсолютные и относительные.

Абсолютные к. п. д. характеризуют степень использования в машине получен­ного паром тепла, а относительные к. п. д. характеризуют степень совершенства данной машины сравнительно с идеальной машиной, работающей по циклу Ренкина.

Абсолютные к. п. д. паровой машины показывают, какая доля тепла, полученного паром в котле, используется, превращаясь в инди­каторную или эффективную работу. Различают два абсолютных к. п. д. машины: индикаторный и эффективный. Слово «абсолютный» в дальнейшем будем опускать.

Индикаторный к. п. д. есть отношение тепла Qi, пошед­шего на индикаторную работу реальной паровой машины, ко всему полученному паром теплу Q:

?i = Qi / Q .

Тепло, превращенное в течение часа в индикаторную работу,

Qi = 632 Ni ккал/ч,

а полученное паром тепло

Q = В (i1 — i’2) ккал/ч,

где D — расход пара паровой машиной в кг/ч;

i1 — i’2 — тепло, сообщенное 1 кг пара в паровом котле, в ккал/кг.

Следовательно,

?i= 632Ni / D (i1 – i’2),    (I, 12)

или

?i= 632 / di (i1 – i’2),    (I, 13)

где di = В / Ni – удельный индикаторный расход пара в кг/л. с. ч.

Эффективный к. п. д. есть отношение тепла Qe, израс­ходованного на эффективную работу, ко всему полученному паром теплу Q:

?e = Qe / Q

или

?e = 632Ne / D (i1 – i’2)     (I, 14)

и

?e = 632 / de (i1 – i’2)     (I, 15)

где de = В / Ne – удельный эффективный расход пара в кг/л. с. ч.;

?e = ?м ?i , (I, 16)

так как

Оба эти абсолютные к. п. д. в зна­чительной мере зависят от парамет­ров пара при впуске и выпуске.

Практическое значение для совре­менных конденсационных машин ?i = 0,13 ? 0,17 и ?e = 0,11 ? 0,14, а для машин без конденсации ?i = 0,1 ч- 0,12 и ?e = 0,06 ? 0,1.

Относительные к. п. д. показывают отношение тепла, превра­щенного в работу в реальной паровой машине, к теплу, преобразо­ванному в работу паровой машины, работающей по циклу Ренкина.

Если две машины имеют, например, одинаковый ?i то очевидно, что лучшей из них будет та, которая работает с меньшими начальными параметрами и с большим конечным давлением. В этих случаях оце­нить совершенство машин удобно по относительному к. п. д.

В реальной машине процесс расширения происходит не по адиабате 1—2 (фиг. 13), а по кривой 1 — А, поэтому разность энтальпии (i1 — i2) = hт или располагаемый теплоперепад в идеальной машине больше, чем перепад тепла (i1 — i2д) = hд в действующей машине. Следовательно, в соответствии с определением относительного к.п.д. индикаторный относительный к. п. д.

Экономический к. п. д. паросиловой установки с паровой маши­ной для средних условий ~ 0,14. Для лучших машин средней или большой мощности ?эк = 0,2 ? 0,21. При работе машины на генера­тор электрического тока и удельном расходе топлива bэ в кг/квт?ч электрической мощности экономический к. п. д. электростанции

vdvizhke.ru

---

• 

  Расточка двигателя акцент

• 

  Необычные конструкции двигателей

• 

  Авиационные двигатели швецова

• 

  Какова функция двигателя

• 

  Двухсекционный роторный двигатель

• 

  Двигатель турбо роторный

• 

  Двигатель сису дизель

• 

  Двигатель 147fmd инструкция

• 

  Вечный двигатель электрический

• 

  Двигатель производитель yanmar

• 

  Двигатель вольво d11

Эффективной мощностью N_e называется мощность, переданная на вал машины; эту мощность можно полезно использовать.

Эффективная мощность меньше индикаторной на величину N_r, затраченную на преодоление трения в механизме машины и на приведение в действие вспомогательных механизмов. т.е.

N_e=N_i – N_r.

Отношение эффективной мощности к индикаторной называется механическим коэффициентом полезного действия (к.п.д.) машины и обозначается ?_м; таким образом,

?_м=N_e/N_i ;   ( I,9)

тогда

N_e= ?_мN_i.  (I, 10)

Механический к.п.д. можно приблизительно найти по формуле

?_м = K + 0.00005 N_e,    (I, 11)

где К = 0,86 ?0,92 в зависимости от конструкции и степени совершенства изготовления машины. Формула относится к одноцилиндровым горизонтальным машинам без конденсации.

?_м конденсационных машин и машин двойного расширения на 2-3 % меньше, чем у горизонтальных машин без конденсации; ?_м вертикальных машин на 2-3% больше, чем горизонтальных. Обычно для горизонтальных машин ?_м = 0,88 ? 0,92, а для вертикальных ?_м = 0,9 ? 0,96.

Из выражения

?_м= N_e/N_i = N_i– N_r / N_i = 1 – N_r / N_i

видно, что механический к.п.д. возрастает с увеличением нагрузки машины.

Эффективная мощность, с которой двигатель работает с наименьшим расходом теплоносителя (пара или топлива) на 1 л.с. ч, называется экономической мощностью.

Наибольшая эффективная мощность, с которой машина может работать неограниченное время вполне безопасно, называется номинальной мощностью, или максимальной продолжительной мощностью.

Эффективная мощность, с которой можно допустить работу машины лишь в течении небольшого промежутка времени (15-30 мин.), называется максимальной кратковременной мощностью.

Действие машины без совершения полезной работы называется холостым ходом.