Парова́ маши́на — тепловий поршневий двигун зовнішнього згоряння, в якому потенціальна енергія водяної пари, котра надходить під тиском з парового котла, перетворюється в механічну роботу при зворотно-поступальному русі поршня, який через механічні ланки надає обертального руху вихідному валу. У ширшому розумінні, парова машина — всякий тепловий двигун, який перетворює енергію пари в механічну роботу.
Принцип дії парової машини поршневого типу
Поршень утворює в циліндрі парової машини одну або дві порожнини змінного об'єму, в яких здійснюються процеси стискування і розширення. Принцип дії парової машини показаний на рисунках 2 і 3.
Зусилля поршня — 1 за допомогою штока — 2, повзуна — 3, шатуна — 4 і кривошипа — 5 передається у вигляді крутного моменту вихідному валу — 6, що несе маховик — 7, який служить для зменшення нерівномірності обертання вала. Ексцентрик, що розміщений на вихідному валу, за допомогою ексцентрикової тяги приводить в рух золотник — 8, який керує подачею пари в порожнини циліндра. Відпрацьована пара з циліндра випускається в атмосферу або надходить в конденсатор. Для підтримки сталої швидкості обертання вала при змінному навантаженні парові машини оснащуються відцентровим регулятором (регулятором Ватта) — 9, що, залежно від швидкості обертання валу, автоматично змінює або площу перетину каналу проходження пари, котра подається в парову машину (дросельне регулювання, показано на малюнку), або момент припинення наповнення циліндра (кількісне регулювання).
Класифікація Парові машини поділяються:
За призначенням: стаціонарні; нестаціонарні (пересувні і транспортні). За робочим тиском пари, що використовується: низького тиску (до 12 ат); середнього тиску (до 60 ат); високого тиску (понад 60 ат). За швидкістю обертання вала: тихохідні (до 50 об/хв, як на пароплавах з гребним колесом); швидкохідні. за тиском пари, що випускається: конденсаційні (тиск в конденсаторі 0,1-0,2 ат); вихлопні (з тиском 1,1-1,2 ат); теплофікаційні з відбором пари на нагрівальні цілі або для парових турбін тиском від 1,2 ата до 60 ата залежно від призначення відбору (опалювання, регенерація, технологічні процеси, використання високих перепадів тисків у парових турбінах). За розташуванням циліндрів: горизонтальні; похилі; вертикальні. За числом циліндрів: одноциліндрові; багатоциліндрові здвоєні, строєні і т. д.; парові машини багато-кратного розширення, в яких пара послідовно розширюється в 2-х, 3-х чи 4-х циліндрах із збільшуваним об'ємом, переходячи з циліндра в циліндр через так звані ресивери (колектори).
За типом передавального механізму парові машини багато-кратного розширення діляться на тандем-машини і компаунд-машини. Особливу групу складають прямотічні парові машини, в яких випуск пари з порожнини циліндра здійснюється крайкою поршня.
Історія винаходу
Парова машина була винайдена в XVIII ст., коли основна вада гідросилових установок — залежність від місця розташування джерел гідравлічної енергії, що був несуттєвим при будівництві зернових млинів, почав сильно перешкоджати розвитку металургійних підприємств, головним чином через неможливість застосувати водяні колеса для відкачування води з копалень, віддалених від джерел водної енергії. Можливість перевезення палива зробила тепловий двигун незалежним від місця розташування джерела енергії і дозволила вирішувати задачу водовідливу у копальнях, в результаті чого паросилові насосні установки першими з'явилися саме там.
Парова машина Томаса Севері Перша спроба поставити пару на службу людині була зроблена в Англії в 1698 році: машина Томаса Севері призначалася для осушення шахт і перекачування води. Сам винахідник назвав її «вогневою машиною» (fire engine) і «другом шахтарів» (miner's friend) Для одержання пари, що приводила машину в дію, був потрібний вогонь. Але винахід Севері ще не був двигуном у повному розумінні цього слова, оскільки крім декількох клапанів, що відкривалися і закривалися вручну, у ньому не було інших механізмів.
Машина Севері працювала наступним чином: спочатку герметичний резервуар наповнявся парою, потім зовнішня поверхня резервуара охолоджувалася холодною водою, від чого пара конденсувалася, і в резервуарі створювався частковий вакуум. У результаті цього вода із дна шахти засмоктувалася в резервуар через забірну трубу і після впуску чергової порції пари викидалася назовні через випускну трубу. Потім цикл повторювався. Таким способом воду можна було засмоктувати з глибини, меншої за 10 метрів, оскільки насправді її виштовхував атмосферний тиск.
Парова машина Дені Папена Перша вдала парова машина з поршнем була побудована французом Дені Папеном (), чиє ім'я частіше асоціюється з винаходом автоклава.
У 1674 році Папен побудував пороховий двигун, принцип дії якого ґрунтувався на запаленні в циліндрі пороху і переміщенні поршня усередині циліндра під впливом порохових газів. Коли надлишок газів виходив із циліндра через спеціальний клапан, а газ, що залишився, охолоджувався, у циліндрі створювався частковий вакуум, і поршень повертався у вихідне положення під дією атмосферного тиску.
Машина була не дуже вдалою, але вона навела Папена на думку замінити порох водою. І у 1698 році він побудував парову машину (як і англієць Томас Севері). Вода нагрівалася усередині вертикального циліндра з поршнем усередині, і пара, що утворилася, штовхала поршень нагору. Коли пара прохолоджувалася і конденсувалася, поршень опускався вниз під дією атмосферного тиску. Таким чином, за допомогою системи блоків парова машина Папена могла приводити в рух різні механізми, наприклад насоси.
Парова машина Томаса Ньюкомена
Почувши про парову машину Дені Папена, Томас Ньюкомен, що часто бував на шахтах у Вест Кантрі (південно-західний регіон Англії), де він працював ковалем, і краще ніж будь-хто розумів необхідність продуктивних насосів для запобігання затопленню шахт. Він об'єднав зусилля з водопровідником і лудильником Дж. Коулі у спробі побудувати досконалішу модель.
Їхня перша парова машина була встановлена на вугільній шахті в Стаффордширі у 1712 році. Як і в машині Д. Папена, поршень переміщався у вертикальному циліндрі, але в цілому машина Т. Ньюкомена була виготовлена якісніше. Щоб герметизувати зазор між циліндром і поршнем, Т. Ньюкомен закріпив на торці останнього гнучкий шкіряний диск. Пара з котла надходила у порожнину циліндра і піднімала поршень вгору. Далі при упорскуванні в циліндр холодної води, пара конденсувалася, у циліндрі утворювався вакуум, і під впливом атмосферного тиску поршень опускався вниз. Цей зворотний хід видаляв воду з циліндра і за допомогою ланцюга, з'єднаного з коромислом, що здійснювало коливний рух, піднімав вгору шток насоса. Коли поршень знаходився в нижній точці свого ходу, у циліндр знову надходила пара, і за допомогою противаги, закріпленої на штоку насоса на, поршень піднімався у вихідне положення. Далі цикл повторювавсяHulse David K (1999): «The early development of the steam engine»; TEE Publishing, Leamington Spa, UK, ISBN, 85761 107 1.
Машина Т. Ньюкомена виявилася досить вдалою і використовувалася по всій Європі протягом більше 50 років. У 1740 році машина з циліндром довжиною 2,74 м і діаметром 76 см за один день виконувала роботу, як бригада з 25 чоловік і 10 коней, працюючи позмінно, раніше виконували за тиждень. Однак і машина Т. Ньюкомена була далека від досконалості. Вона перетворювала в механічну роботу усього лише близько 1 % теплової енергії і, як наслідок, вимагала великої кількості палива, що, утім, не мало особливого значення, коли машина працювала на вугільних шахтах. У цілому машини Т. Ньюкомена зіграли величезну роль у збереженні вугільної промисловості: з їхньою допомогою удалося відновити видобуток вугілля в багатьох затоплених шахтах.
Вирішуючи завдання підйому води, винахідники (Д. Папен у Франції, Т. Ньюкомен і Т. Севері в Англії та ін.) поступово знайшли конструктивні форми для здійснення безперервного робочого процесу парової машини: окремий паровий котел, циліндр, топковий пристрій, крани та ін. Проте це все ще були насосні установки, які могли направляти роботу циклу тільки на підйом води і були не в змозі задовольнити потреби в двигунах для заводських машин (повітродувних міхів, рудодробильних засобів, ковальських молотів, лісопильних рам та ін.). Так виник перехідний період (1700—1780) в енергетиці, коли водяне колесо почало обмежувати розвиток техніки унаслідок залежності від місця розташування джерела водної енергії; паровий двигун, хоча і не був прив'язаний до місцевих умов, був придатний тільки для підйому води.
Потреби заводів привели до створення комбінованих установок, в яких паровий насос піднімав воду на водяне колесо, що приводило в рух заводські машини. Такі установки не вирішували завдання щодо заводського двигуна, оскільки втрачали на своїй гідравлічній ділянці понад 2/3 енергії, що отримувалась від парового циклу. Завдання могло бути вирішене тільки шляхом заміни гідравлічної передачі роботи механічною, розробкою передавального механізму, здатного виконувати паровим циклом роботу періодично передавати споживачеві безперервно, в будь-якій необхідній формі руху. Простий передавальний механізм у формі балансира проіснував ціле століття, оскільки дозволив при низькому тиску пари піднімати воду на велику висоту за рахунок різниці площ перетину парового і водяних циліндрів, але не вирішував головного завдання заводського двигуна — здатності виконувати роботу безперервно.
Універсальна парова машина подвійної дії
Застосування двох циліндрів з послідовною віддачею роботи їхніх порожнин на спільний вал було вперше запропоноване Іваном Ползуновим в 1763, проте через смерть винахідника проект не був завершений, і парова машина Ползунова була розібрана після декількох пробних запусків.
У 80-х роках XVIII століття потреба в універсальному двигуні стала виключно гострою у зв'язку з розвитком першого етапу промислової революції — впровадженням у виробництво прядильних і ткацьких машин. Ці нові машини, що давали можливість одночасної роботи багатьох знарядь, визначили в останній чверті 18 ст. період завершення першого етапу в розвитку парових машин. Завдання набуло конкретної форми: необхідно було перетворити парову насосну установку на двигун з обертальним рухом вала. Рішення цієї задачі знайшло своє віддзеркалення в патентах різних країн на парові машини в 80-х роках XVIII ст.
Найбільшого поширення набула парова машина (рис. 1) Джеймса Ватта (Англія), як найбільш економічна унаслідок відділення пароконденсатора від циліндра. З 1800 розвиток парової машини і її впровадження в промисловості і на транспорті йде стрімкими темпами.
Наступним важливим кроком у розвитку парових машин високого тиску стала поява машин подвійної дії (див рис.2). В машинах одинарної дії поршень переміщався в одну сторону силою під дією тиску пари, але назад він повертався або під дією сил гравітації чи за рахунок моменту інерції обертового маховика, сполученого з паровою машиною.
У парових машинах подвійної дії пара під тиском по черзі подається в обидві сторони робочого циліндра, в той час як відпрацьована пара з протилежного боку циліндра виходить в атмосферу чи в конденсатор. Такий принцип вимагав створення досить складного механізму розподілення пари. Принцип подвійної дії підвищує швидкість роботи машини і покращує плавність ходу та збільшує потужність при тій же масі машини. Це сприяло появі та бурхливому поширенню парової машини на транспорті — з'явились: пароплав, паровоз, паровий локомобіль, паровий трактор, паровий екскаватор тощо.
Компаундна парова машина