Паровой двигатель Джеймса Уатта
Следующий шаг в развитии двигателестроения связан с открытием в 1761 г. понятия скрытой теплоты, названной в последствии энтальпией, и разработкой методов ее расчета. Исследования проводил Джозеф Блэк, (Joseph Black, 1728-1799), профессор университета Глазго, которому помогал выпускник университета, "гражданский инженер" Джеймс Уатт (James Watt, 1736-1819).
Фундаментальное для дальнейшего развития техники явление было открыто в результате исследования причин неизменности температуры смеси воды и тающего льда в при ее нагревании.
Осознание возможности выполнения полезной работы путем использования скрытой энергии пара и установление ее численной взааимосвязи с температурой и давлением рабочей среды стало возможным только после завершения формирования кинетической теории газов и понимания сущности энергии, на что потребовалось почти 60 лет.
Хронология формирования теоретической базы термодинамики
1709: Изобретение спиртового термометра, Габриэль Фарангейт (Gabriel Fahrenheit);
1714: Закон сохранения энергии (первый закон термодинамики), Готфрид Лейбниц (Gottfreid Leibniz);
1714: Изобретение ртутного термометра, Габриэль Фарангейт (Gabriel Fahrenheit);
1724: Открытие явления переохлаждения воды, Габриэль Фарангейт (Gabriel Fahrenheit);
1731: Водо-спиртовой термометр, Рене Реомюр (Rene Reaumur);
1738: Кинетическая теория газов, Данил Бернулли (Daniel Bernoulli);
1738: Гидродинамика, Данил Бернулли (Daniel Bernoulli);
1742: Обратная стоградусная температурная шкала, Андреас Цельсий (Anders Celsius);
1743: Прямая температурная шкала Цельсия, Жан Кристин (Jean Christin);
1743: Введение понятия энергии в Ньютоновскую механику, Жан де Аламбер (Jean d'Alembert);
1744: Введение понятия энергии в гидродинамику, Жан де Аламбер (Jean d'Alembert);
1744: Открытие взаимосвязи температуры со скоростью движения молекул, Михал Ломоносов (Mikhail Lomonosov);
1748: Закон сохранения массы и энергии, Михал Ломоносов (Mikhail Lomonosov);
1752: Открытие вязкости жидких сред, Жан де Аламбер (Jean d'Alembert);
1761: Опыты по фазовым превращениям воды. Открытие скрытой теплоты, Джозеф Блэк (Joseph Black) – официальная дата появления термодинамики.
Основное значение паровых турбин в истории техники заключается в том, что они обеспечили экономическую рентабельность использования паровой энергии не только для промышленности, но и для бытового обслуживания населения. В частности, первое в истории уличное освещение было установлено в Кэмбридже в 1895 г., для чего использовались четыре 100 кВт генератора с турбинами Парсонса.
Современные турбины представляют многоступенчатые агрегаты, собираемые в блоки, включающие последовательность из нескольких турбин высокого, среднего и низкого давления. Такая компоновка позволяет достигнуть высокой эффективности использования тепловой энергии пара (свыше 40 %), что сопоставимо с эффективностью современных мощных малооборотных дизелей.
Эти показатели в сочетании с относительной дешевизной топлива для ТЭЦ и АЭС делают паровую турбину основным элементом современных электростанций. Мощность современных паровых турбин достигает 1000 мегаватт.
В 1899 г. на ходовых испытаниях корабли легко показали скорость свыше 30 узлов, однако их судьба оказалась печальной. В том же году "Гадюка" разбилась, наскочив на мель в Ла Манше, а месяцем позже "Кобра" взорвалась на рейде Тейна ("Tyne"). Несмотря на то, что по результатам расследования аварии Адмиралтейство полностью реабилитировало фирму Чарльза Парсонса, трагедия, унесшая жизнь 77 человек, включая его сотрудников, очень серьезно сказалась на его здоровье и привела к почти двухлетнему отказу от активной производственной деятельности.
В 1902 г. Британское Адмиралтейство модернизировало энергетическую установку 15-летнего эсминца "Velox" и по итогам годовой эксплуатации ПТУ приняло решение о том, что с 1905 г. все новые корабли Великобритании должны оснащаться только паротурбинными двигателями.
В 1905 - 1906 гг. Адмиралтейство ввело в строй корабли нового поколения, оснащенные паротурбинными установками, обеспечившими техническую базу для качественного скачка в строительстве военного флота: крейсер HMS Amethist (110 м, 3000 т, ПТУ - 14000 л.с., 23-33 узла) и линейный корабль HMS Dreadnought.
Характеристики линкора "Дредноут": L/B/D: 160.3x25x8.8 м, водоизмещение - 21845 т., экипаж: 657-773 чел.; вооружение 10 x 12". Бронирование: броневой пояс - 11", палуба - 4"; машина: ПТУ - 23000 л.с., винтов - 4 , скорость - 21 узел.
С точки зрения развития СЭУ линкор "Дредноут" открыл новою эпоху в военном судостроении, закончившуюся созданием в 1941 г. четырехвинтовых линейных кораблей Yamato ("Ямато") и Musashi (“Мусаси”) водоизмещением 72 809 т и мощностью ПТУ - 150 000 л.с.
Yamato ("Ямато"), линкор класса Yamato. L/B/D: 263х38.9х10.4 м, водоизмещение - 72809 т, корпус - сталь, экипаж - 2500 чел., вооружение - 9x18.4", 12x6.2", 12x5.1", 24x25мм. Бронирование: броневой пояс - 16.4", палуба - 9.2". Скорость 27 узлов. Линкор был потоплен в конце Второй мировой войны (6 апреля 1945 г.) в результате атаки более 400 самолетов морской авиции США при сражении за Окинаву. 10 авиационных торпед и 58 бомб поставили точку на пяти столетиях артиллерийских морских сражений.
В 1943 г. военно-морские силы США начали принимать на вооружение линкоры класса Iowa ("Айова") водоизмещением 55 250 т, мощностью ПТУ - 212 000 л.с., скоростью 33 узла, но на военном флоте дальнейшее развитие СЭУ уже не было связано с линейными кораблями.
Первым пассажирским турбоходом стал построенный в 1901 г. "King Edward" ("Король Эдуард", 76 м., 650 т., 8500 л.с., 20-48 уз.). В 1905 г. началась регулярная трансатлантическая навигация паротурбинных пассажирских судов "Victorian" ("Викторианец") и "Virginian" ("Виржинец"), а с 1907 г. на линию выходят самые большие четырехвинтовые пассажирские суда с ПТУ мощностью 73000 л.с. - "Mauretania" ("Мавритания") и "Luisitania" ("Лузитания"), построенные для перевозки эмигрантов в США.
Оба судна способны были развивать скорость от 25 до 26 узлов (42 км/час), что до их создания считалось невозможным для таких больших судов: длина - 240.8 м , ширина - 26.8 м, водоизмещение - 31938 т. В каютах первого класса размещались 563 пассажира, второго - 464, третьего - 1138, экипаж судна - 812 чел.
"Мавритания" в течение 20 лет была самым быстрым лайнером и семь раз била свой рекорд на скорость пересечения Атлантики. В 1921 г. котлы, работающие на угле, были переведены на жидкое топливо, а последний рекорд был поставлен 20-25 августа 1924 г. Дистанцию от Амброуза (Ambrose) до Шербура (Cherbourg) теплоход прошел за 5 дней, 1 час и 49 минут со средней скоростью - 26.25 узла.
" Мавритания" (32 000 т) и "Турбиния"(44 т), 1908 г.
Размерения судна - 74х9,5х1.83 м, дедвейт - 840 т, механизмы - три четырехтактные трехцилиндровые дизеля мощностью по 88,3 кВт, диаметр цилиндров - 290 мм, движитель - два гребных колеса с приводом от двух электродвигателей постоянного тока по 75 кВт, скорость хода - 7,4 узла, класс судна - река-море.
В августе 1904 г. в журнале "Русское судоходство" было опубликовано следующее сообщение о первом теплоходе: "Товарищество братьев Нобель" выстроило в нынешнюю навигацию на своем заводе железное судно наподобие баржи, на него были поставлены три машины. Судно будет приводиться в движение двигателем совершенно нового образца, невиданного еще нигде, а в особенности на р. Волге".
1904: Построена нефтеналивная самоходная баржа "Сармат" с приводом гребного электродвигателя на винт. Состав СЭУ: два четырехцилиндровых дизеля мощностью по 132,5 кВт и частотой вращения 240 об/мин. Коммерческое использование теплоходов показало, что их энергетические установки являются значительно более экономичной, чем у пароходов.
Суточный расход топлива т/x "Сармат" составлял 1,15 т сырой нефти, солярового масла или мазута, в то время как пароход аналогичных размеров и мощности сжигал 6,5 т угля. Эксплуатационные расходы заметно снижались за счет сокращения штата машинной команды и полного сокращения кочегаров. Энергетическую установку "Сармата" обслуживали шесть человек: машинист, его помощник и четыре масленщика.
 "Вандал", ("Vandal"), 1903
|  "Вулкан" ( "Vulcanus"), 1910
|  "Зеландия" ("Selandia") , 1912
|
1904: Построена первая подводная лодка "Aigette" (Франция) с дизельным ходовым двигателем. Эксплуатация корабля показала, что дизельный двигатель и его топливо более надежны, чем бензиновые ДВС. С 1904 г. окончательно сформировалась структура СЭУ подводных лодок: дизельный двигатель для хода в надводном положении, электродвижение - в подводном.
1905: Построен первый относительно мощный двухтактный реверсивный дизель фирмы "Зульцер", установленный в 1906 г. на швейцарское озерное сухогрузное судно. Характеристика СЭУ: двигатель - двухтактный четырехцилиндровый реверсивный, диаметр цилиндров - 175 мм, ход поршня - 250 мм, мощность 66 кВт при частоте вращения 375 об/мини.
1907: C-Петербургский завод "Людвиг Нобель" приступает к постройке для военного флота четырехтактных трехцилиндровых быстроходных дизелей типа Д мощностью по 88,5 кВт при частоте вращения 400 об/мин. Первые машины устанавливаются на подводной лодке Балтийского флота "Минога".
1908: На Коломенском заводе построен первый танкер класса река-море "Дело", длиной 108,4 м и дедвейтом 4200 т. Состав СЭУ: два четырехтактных, четырехцилиндровых нереверсивных дизеля мощностью по 340 кВт.
1910: Джеймс Мак Кечни (James McKechnie) изобретает инжекторную систему топливливоподачи (форсунки).
В течение последующих двадцати лет такие системы полностью заменяют топливные системы высокого давления (аккумуляторные системы впрыска топлива), реализация которых осуществлялась на базе компрессоров и специальных резервуаров, что составляло до 20 % от стоимости двигателя.
1910: Регистр Ллойда (Llod's) присваивает класс первому морскому нефтяному танкеру "Vulcanus" c дизельной энергетической установкой.
1912: В Копенгагене строится первый океанский теплоход с четырехтактными реверсивным дизельными двигателем фирмы "Бурмейстер и Вайн" (Burmeister & Wain) - "Зеландия" (Selandia). Состав СЭУ: два четырехтактных 8 цилиндровых дизеля мощностью 932 кВт, 140 об/мин.
1912: В Гамбурге строится первый океанский теплоход с двухтактным реверсивным дизельными двигателем фирмы "Зулцер" (Sulzer) - "Монте Пенедо" (Monte Penedo). Состав СЭУ: два двухтактных шестицилиндровых дизеля мощностью 1250 кВт, 160 об/мин.
 "Holland VII", первая подводная лодка с ДВС, 1895.
|  Серия D, первые дизельные п/л Великобритании, 1907 - 1919
|
|
Дизельная п/л USS Perch | |
1912: Объединение компаний Зульцер, Крупп и Прусско-Саксонские железные дороги (Sulzer, Krupp, an the Prussian & Saxon State Railway) строят локомотив с дизельным двигателем. В 1913 г. Шведская (Sweden's) фирма ASEA начала коммерческую эксплуатацию тепловозов.
1913: Авиационный инженер Хуго Юнкерс (Hugo Junkers) строит первый первый четырехцилиндровый авиационный дизельный двигатель. Вскоре фирма "Юнкерс" начинает массовое производство 6 цилиндровых авиационных двигателей мощностью 384 кВт при 2400 об/м.
1913: Компания "Brown, Boveri and Company" совместно с Швейцарским институтом технологии (Swiss Federal Institute of Technology, Zurich) создает первый компрессор для наддува воздуха, известный как Comprex AWS. Компрессор представлял из себя навешанный на двигатель воздушный насос.
1914: Зульцер начинает производство двухтактных двигателей с продувкой и охлаждением поршней.
22 сентября 1914 вблизи от побережья Голландии немецкая дизельная подводная лодка U-9 водоизмещением 600 т. и командой в 28 человек за 1 час 15 мин топит Британские крейсера Абукир, Кресси и Хог (Aboukir, Cressey, Hogue) суммарным водоизмещением 36 тыс. т с 1459 моряками на борту. Подводный флот и дизелестроение становятся фактором национальной безопасности промышленных стран мира, а задача разработки энергетических установок для подводных лодок становится приоритетной для всех ведущих морских держав.
До этого события почти все моряки мира считали, что подлодка - специфическое оружие береговой обороны вроде подвижного минного поля, и хорошо, что ей удастся атаковать военный корабль противника, стоящий на якоре.
Об атаке движущихся кораблей всерьез никто не думал, хотя во время боевых испытаний, проведенных в 1898 г. на Тулонском рейде, французская ПЛ "Сирена" удачно провела торпедные атаки линейных кораблей, один из которых стоял на якоре, а другой шел со скоростью около 10 узлов.
Подводные лодки, также как в свое время пароходы, потребовали создания новой тактики ведения морского боя, возможной только при наличии именно этого класса военных кораблей. Даже немцы, едва не поставившие подводными лодками Англию на колени, не знали, что с ними делать.
В первые военные дни 1914 г. дозорный миноносец выводил субмарины в море, где они стояли на якоре до вечера, изображая из себя часовых у главной базы флота кайзера.
1919: Английская компания Doxford LB начинает призводство для подводного флота дизельных двигателей с оппозитным расположением поршней.
1924: Браун Бовери (Brown Boveri) начинает промышленное производство систем тубонаддува (turbochargers) дизелей.
1925: В результате объединения двух Калифорнийских компаний "Holt Manufacturing Company of Stockton, California" и "C. L. Best Gas Traction Company of San Leandro, California" создается компания "Катерпилер" (Caterpillar), специализирующаяся на производстве транспортных двигателей.
1927: Роберт Бош (Robert Bosch) начинает выпуск топливных насосов высокого давления (ТНВД).
1926: Объединение компаний Daimler и Benz. Новая компания называется Daimler-Benz, позже Mersedes-Benz. Начинается производство двигателей модели 5K3 со свечами накаливания, разработанными Робертом Бошем.
1929: Компания "Дженерал Мотор" (General Motor) покупает крупнейший завод по производству автомобилей в Европе - Adam Opel AG Company.
1935: Компания B&W начинает производство четырехтактных двигателей работающих на тяжелом топливе.
1936: Daimler-Benz представил первый легковой автомобиль с дизельным двигателем.
1938: "Дженерал Моторс" организует в Детройте дизелестроительное отделение (Detroit Diesel Engine Division) для производства двигателей для армии и флота.
 Первый судовой двухтактный двигатель фирмы Sulzer, 1250 кВт, 160 об/м, 1912
|  V - образный двигатель п/л SS313, фирмы General Motors, 1600 л.с., 750 об/м, 1942
|
| | |
1958: На восстановленном после Второй мировой войны заводе Пежо начинается выпуск автомобилей Peugeot 403 с четырехцилиндровым дизельным двигателем. В апреле 1970 на заводе Пежо в Лиле (Lille) регистрируется выпуск миллионного дизельного двигателя.
1984: Объединение компаний MAN и B&W в корпорацию MAN B&W Diesel A/S, Copenhagen.
1987: Замена паротурбинной установки океанского лайнера Queen Elizabeth 2 (66850 т, 3000 пасс., 1968 г.) на на дизель-электрическую ЭУ, самую большую на гражданском флоте XX века: 9 четырехтактных двигателей MAN суммарной мощностью - 179 MВт (243 тыс л.с.).
1988: Корпорация MAN B&W приобретает Французскую компанию Пилстик (SEMT Pielstick).
1998: Компания P&O Nedlloyd получает контейнеровоз "Southampton" вместимостью в 6674 контейнеров (дедвейт - 75000 т, длина - 300 м, ширина - 42,8 м, осадка - 13,5 м, 25 узлов) с самой большой единичной установленной мощностью дизельного двигателя - 65880 кВт (89,5 тыс л.с.), Sulzer, 12 RTA96C.
1999: В Голландии построен самый большой дизельный двигатель XX века: B&W 12K98MC-C (68640 кВт/ 93261 л.с.).
По состоянию на 1.01.2000 г. средняя стоимость тяжелого топлива для малооборотных дизелей с частотой вращения около 100 об/мин - $150 USD/т, средняя стоимость очищенного или легкого дизельного топлива (солярки) - $300 USD/т. Рекорд минимального расхода топлива дизельным двигателем поставлен в 1986 г. Расстояние 4818 км пройдено с средним расходом топлива 1.76 л. на 100 км.
Литература:
1. Петровский Н. В., Судовые двигатели внутреннего сгорания и их эксплуатация, М., 1966;
2. Гаврилов В. С., Камкин С. В., Шмелев В. П., Техническая эксплуатация судовых дизельных установок, М., 1967;
3. Плаксионов Н. П., Берете А. Г., Судовые турбинные установки, М., 1973;
4. Справочник судового механика, под ред. Л. Л. Грицая, т. 1-2, М., 1973-74.
5. Из книги С.И.Белкина "Путешествие по кораблям".
6. Source ThinkQuest Library - http://www.thinkquest.org/index.html ,
7. site Start Your Engines , http://www.history.rochester.edu/steam/ ,
ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ НЬЮКОМЕНА.
 [ Cхема двигателя Ньюкомена ]  Реконструкция двигателя Ньюкомена
| После заполнения цилиндра паром его подвод перекрывался и открывался клапан, обеспечивающий доступ воды из водяного бака в цилиндр, после чего пар, заполняющий рабочий цилиндр, конденсировался и под действием разряжения поршень двигался вниз. Затем кран подвода воды в цилиндр закрывался, вода и конденсат сливались и открывался подвод пара в цилиндр, при этом коромысло двигателя, под действием веса столба воды в водоподъемнике опускалось вниз, поднимая при этом рабочий поршень вверх, и цикл повторялся вновь. Противовесы служили для компенсации массы деталей, участвующих в работе подъемника. Первые двигатели Ньюкомена выполняли 6 - 8 ходов в минуту, позже скорость движения была доведена до 10 - 12 ходов в минуту. Основной недостаток двигателей Нюкомена был связан с их чрезвычайной громоздкостью и прерывистым характером движения насоса. Способ преодоления последнего недостатка был найден Иваном Ивановичем Ползуновым (1728-66), разработавшим в 1763 г. |  Схема двигателя Ползунова P - паровой котел, Т - водяной охладитель, А, В - цилиндры, а ,в - поршни, f - кулиса, m - клапан, d1, d2 - штанги, l1, l2 - кулачки.
|
двухцилиндровую пароатмосферную машину.
В машине И. Ползунова впрыск воды в цилиндр для создания вакуума осуществлялся поочередно с использованием специального кулисного механизма. На приведенном справа рисунке показана схема двигателя И. Ползунова.
Пробный пуск машины И. Ползунова состоялся в 1766 г., через неделю после смерти ее изобретателя, но из-за износа кожаного уплотнения цилиндров и течи в котле машина проработала всего 43 дня и в 1780 г. была демонтирована и уничтожена.
Первый насос Ньюкомена был установлен в 1712 г. в графстве Стаффордшир (Staffordshire), а в общем несколько сотен паровых насосов Ньюкомена и Савери использовались в Европе до появления двигателя Дж.Уатта.
Дальнейшее развитие пароатмосферных двигателей уткнулось в проблему габаритов, т.к. при использовании только потенциала атмосферного давления увеличение мощности двигателя достигалось за счет увеличения габаритов рабочего цилиндра, длина которых на последних двигателех Ньюкомена достигала уже 10 футов (3 м).
Доктор Робисон (Dr. Robison), автор "Философии механики (Mеchanical Philosophy)", одной из немногих работ, посвященных истории развития машиностроения, следующим образом описывает двигатели Ньюкомена, проработавшие в Шотландии до 1790 г. Диаметр цилиндра водоотливных насосов - 40-44" (100-112 см), диаметр рабочего цилиндра - 60" (152 см), ход поршня - 6 ft (183 см). Избыточное давление в котле - 2.77 ft/кв. дюйм (1,95 кг/кв.см), в цилиндре - 2.63 ft/кв. дюйм (1,85 кг/кв.см). Скорость работы насоса - 15-18 циклов в минуту, развиваемая мощность - 20 л.с. (14,7 кВт).
Дата: 2019-05-28, просмотров: 164.
