Паровые машины. Страница 1

Г.С. Жирицкий
ПАРОВЫЕ МАШИНЫ
Г осэнергоиздат 1951 г.
Вновь написан раздел «Эксплоатация (паровых машин», где дается понятие об установке паровой машины, . смазке ее, обслуживании и модернизации существующим машин.
В книге уделено должное внимание машинам высокого давления я локомобильным машинам. Если в эксплоатации находится еще очень большое число ранее построенных стационарных машин, то в настоящее время для стационарных и подвижных установок строятся преимущественно локомобильные машины, которые с успехом применяются для электрификации сельского хозяйства, на лесо- и торфоразработках, на небольших предприятиях местной промышленности, а также для электрификации отдаленных районов нашего Союза.
Хотя паровозные и судовые машины являются наиболее распространенными типами современных паровых машин, им уделено сравнительно небольшое место в связи с наличием специальной литературы по этим машинам.
Некоторые главы и параграфы книги набраны мелким шрифтом. Содержание их без ущерба для ясности изложения может быть опущено в тех ©узах, где курс паровых машин проходят по сокращенной программе.
При работе над книгой были учтены указания различных лиц на дефекты и ошибки в предыдущих изданиях.
Особую признательность приношу канд. техн. наук Н. Г. Мо1розову, с исключительной внимательностью просмотревшему рукопись и сделавшему при ее.рецензировании ряд ценных указаний.
Надеюсь, что лица, которые будут пользоваться настоящей книгой, своей деловой критикой помогут устранить несомненно имеющиеся е ней недочеты.
Автор
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие.................. 3
Раздел первый ВВЕДЕНИЕ
71 71
1-1. Понятие о работе и устройстве паровой машины ..................................7 1-2. Классификация паровых машин....... 9 1-3. Индикаторная диаграмма.........! 11 1-4. Исторический очерк развития паровой маШИНЫ ........... раммы тан
1-5.    Использование тепла в паровых машинах и области их применения........... J9 72
Раздел второй РАБОТА ПАРА В ПАРОВОЙ МАШИНЕ Глава первая. Идеальные процессы в паровых /5
машинах.................. 22 2-1.    Цикл Ренкина..............’ 22 79
2-2. Цикл с неполным расширением пара .... 25 Глава вторая. Реальный процесс в паровой машине .................... 26 2-5.
Потери на утечки пара........... 26 Падение давления пара при впуске..... 28 Потеря от теплообмена пара со стенками цилиндра (начальная конденсация пара) и отдача тепла в окружающую среду..... 29 2-8.
Меры борьбы с потерей от теплообмена . . 31 Вредное пространство и сжатие пара ... 35 Сравнение действительной и теоретической диаграмм. Коэффициенты полезного действия машины............... 38 92
3-5.
2-9. Индикаторная диаграмма реального процесса в паровой машине............. 44 2-10. Примеры построения индикаторных диаграмм одноцилиндровых машин ...... 52 99 101
3-9.
2-11. Влияние нагрузки машины на очертание индикаторной диаграммы........... 53 2-12. Определение мощности машины по индикаторной диаграмме ............. 54 2-13. Аналитический расчет паровой машины. Определение степени наполнения по заданной мощности машины........... 56 2-14. Определение расхода пара по индикаторной диаграмме................ 58 2-15. Выбор параметров пара.........[ 59 Глава третья. Исследование рабочего процесса машины при помощи индикаторной диаграммы .................. £Q 115
2-16. Устройство индикатора и пользованйе'им .’ 60 ^-17. Оценка работы паровой машины по индикаторной диаграмме............. 61 2-18. Перенос индикаторной диаграммы’ в* к’оо’рди- наты Т, S.............. _ # 63 2-19. Тепловой баланс паровой машины'    66 Глава четвертая. Машины многократного оас ширения......................н 2-20. Общие сведения 2-21. Преимущества и недостатки машин много кратного расширения..... 2-22. Отношение объемов цилиндров 2-23. Выбор типа машины..... 2-24. Объемные диаграммы . • . . 2-25. Построение индикаторной диаг дем-машины или машины компаунд с криво шипами, заклиненными под углом 180° . . 2-26. Построение индикаторной диаграммы машины двойного расширения с кривошипами, заклиненными под углом 90° (машина компаунд) ................... 2-27.    Комбинирование индикаторных диаграмм машин многократного расширения и перенос их в координаты TS............ о оп' £J0U*H0CTb машин многократного расширения 29- Индикаторные диаграммы машин двойного расширения при переменном режиме .... Раздел третий ПАРОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ В ПАРОВЫХ МАШИНАХ Глава первая. Золотниковые парораспределения 81 3-1.    Плоский коробчатый золотник....... 81 3-2. Золотниковые диаграммы.......... 84 3-3. Построение индикаторной диаграммы по золотниковой ............. Учет конечной длины шатуна по Ф.’а'. Брик’су Построение золотниковой диаграммы по ин дикаторнсй и определение размеров золот ника.............. Эллиптическая диаграмма......| Конструктивное выполнение золотника Цилиндрические золотники ...... Золотник с двойным впуском пара ..... 3-10. Простые золотники с переменной степенью накопления.................юз q io' Парораспределение двойными золотниками 105 о-12. Определение размеров двойного золотника , ™ заданной индикаторной диаграмме ... 110 •i-13. Конструкции двойных золотников.....112 Глава вторая. Клапанные парораспределения о-14. Расположение, конструкция и расчет клапанов .................. 3-15. Классификация механизмов для привода клапанов. Общая оценка клапанных парораспределений .........................119 3-16. Кулачные шайбы.........*!!..! 120 3-17. Эксцентриковый механизм с катящимся рычагом .............. ..... 121 3-18. Качающиеся кулаки.........! ." ! 124 3-19. Принудительные механизмы парораспределения с переменной степенью наполнения, Механизм с катящимся рычагом...... 3-20. Парораспределение качающимися кулаками 3-21. Парораспределение расцепным механизмом . 3-22. Кривые подъема клапанов ......... 3-23. Расчет клапанной пружины......... 3-24. Поршневые золотники с механизмами клапанных парораспределений ......... Глава третья. Парораспределение в прямоточных машинах ............... 3-25. Парораспределение впуска. Односедельные клапаны .................. 3-26. Управление выпуском............ Глава четвертая. Реверсивные механизмы . . "3-27. Понятие о реверсивных механизмах и их классификация .............. 3-28. Кулисные механизмы с двумя эксцентриками 3-29. Реверсивные приводы судовых машин с одним эксцентриком.......... . . . 3-30. Кулисный механизм паровозных машин . . . 3-31. Гидравлический привод органов парораспределения .................. 3-32.    Выбор типа и системы парораспределения Раздел четвертый ДИНАМИКА ПАРОВОЙ МАШИНЫ 4-1.    Силы, действующие в шатунно-кривошипном механизме ................. 4-2.    Силы инерции............... 4-3.    Расчет маховика.............. 4-4.    Действие сил инерции........... 4-5.    Условия устойчивости паровой машины . . . 4-6.    Уравновешивание сил инерции...... . Раздел пятый РЕГУЛИРОВАНИЕ Глава первая. Статика регулятора....... '5-1. Назначение и классификация регуляторов . . 5-2.    Поддерживающая сила регулятора..... 5-3. Характеристика регулятора......... 5-4. Параллельная работа электрических генераторов с приводом от паровых машин. Рациональная форма статической характеристики 5-5. Нечувствительность регулятора...... 5-6. Конструкции и расчет конических пружинных регуляторов .............. 5-7. Плоские регуляторы. Основы теории и расчета .................... 5-8. Инерционные регуляторы.......... 5-9. Регуляторы давления............ Глава вторая. Основы динамики регулятора . . 5-10. Дифференциальное уравнение движения машины......"........... 5-11. Время разбега машины........... 5-12. Дифференциальное уравнение движения регулятора................. 5-13. Время свободного падения муфты регулятора    ....... 5-14. Условия устойчивости системы регулирования ........... Раздел шестой МАШИНЫ С ПРОТИВОДАВЛЕНИЕМ И С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ОТБОРОМ ПАРА 6-1. Основные типы машин с использованием отработавшего пара.............193 6-2. Машины с противодавлением........194 6-3. Машины с промежуточным отбором пара . . 197 6-4. Коэффициент полезного действия и диаграмма режимов машины с отбором пара . . 200 6-5.    Регулирование машин с промежуточным . . отбором пара.........."......202 Раздел седьмой КОНДЕНСАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА ПАРОВЫХ МАШИН 7-1.    Понятие о конденсационных устройствах . .    207 7-2. Смешивающие конденсаторы........208 7-3. Поверхностные конденсаторы.........210 7-4. Насосы конденсационного устройства ....    213 7-5.    Маслоотделители.....".........215 Раздел восьмой КОНСТРУКЦИИ ПАРОВЫХ МАШИН Глава первая. Типичные конструкции машйн 8-1.    Горизонтальные машины однократного расширения ..................217 8-2. Вертикальные одноцилиндровые и сдвоенные машины..................220 8-3. Горизонтальные машины многократного расширения ..................224 8-4. Вертикальные машины многократного расширения ............-......230 8-5. Локомобильные машины..........231 8-6. Машины легкого типа...........235 Глава вторая. Детали паровых машин.....238 8-7 Паровой цилиндр..............238 8-8. Сальники..................242 8-9. Поршень и поршневой шток ... . . . . .    244 8-10. Ползун...................248 8-11. Шатун...................251 8-12. Коренной вал...............253 8-13. Рама и коренные подшипники .......254 8-14.    Маховик ..................259 Раздел девятый ЭКСПЛОАТАЦИЯ ПАРОВЫХ МАШИН Глава первая. Смазка паровых машин.....260 9-1.    Смазочные материалы . . .........260 9-2. Подача смазки на трущиеся поверхности . .    262 9-3. Расход масла на смазку паровой машины . .    265 9-4. Регенерация масел.............266 Глава вторая. Обслуживание паровых машин    267 9-5. Установка паровой машины........267 9-6. Пуск^ в ход, остановка и обслуживание паровой машины...............267 9-7. Ненормальная работа машины. Типичные аварии и их предупреждение........273 9-8. Модернизация паровых машин .......275 Литература ..................278 Предметный указатель.............279 1-1. ПОНЯТИЕ О РАБОТЕ И УСТРОЙСТВЕ ПАРОВОЙ МАШИНЫ РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ ВВЕДЕНИЕ
Назначение парового двигателя — производить механическую работу за счет тепловой энергии пара. Если мапйана работает без потерь, то 1 кг пара, вступив в мишину с теплосодержанием h, адиабатически расширившись в ней и выйдя из машины с теплосодержанием ь, отдает рабочему органу двигателя h—i2 единиц теплоты (ккал/кг). Машина при этом производит L0= —i2) единиц работы (кгм), где А = ^— тепловой эквивалент^работы. Преобразование энергии может итти двумя путями. В одном случае потенциальная энергия пара преобразуется в механическую работу поршня, который под давлением пара движется в закрытом цилиндре. Развиваемая при этом работа измеряется произведением силы, приложенной к порш'ню, на путь, им проходимый. Поршень может иметь или поступательновозвратное, или вращательное движение. В другом случае потенциальная энергия пара преобразуется сперва в кинетическую: пар расширяется, и за счет падения его теплосодержания возрастает скорость. На рабочем органе машины (диск с лопатками) происходит затем превращение кинетической энергии пара в механическую работу за счет понижения скорости пара. В первом случае мы имеем паровую поршневую машину с возвратно-движущимся или вращающимся поршнем; во втором случае — паровую турбину. Предметом настоящего курса будут служить исключительно поршневые машины. По укоренившемуся в технической литературе обычаю мы будем называть эти двигатели паровыми машинами, отбрасывая термин «поршневые». Машины с вращающимся поршнем именуются коловратными. Область применения их совершенно незначительн а. Паровые турбины по своему тепловому процессу и по конструкции настолько отличны от паровых машин, что изучение их выделяется в самостоятельный курс. Простейшая паровая машина представлена на фиг. 1 -1. В паровом цилиндре 2, закрытом с обеих сторон крышками 1 и 4, может перемещаться поршень 3. Поршень делит цилиндр на две полости: левую и правую, причем первая иногда называется стороной крышки, вторая—стороной кривош'ипа (при том расположении частей машины, какое показано на’ чертеже). Пар поступает попеременно в левую и правую полости, причем когда в одной из полостей происходит впуск свежего пара, из другой выпускается пар, отработавший за предыдущий ход.    ‘ На продольном разрезе машины и в плане показаны впуск пара в левую полость и выпуск из правой. При обратном движении поршня (на чертеже цилиндра — внизу) направление пара меняется. Само собой понятно, что пар не должен перетекать из одной полости в другую; поэтому рабочая (внутренняя) поверхность цилиндра должна быть строго цилиндрической и тщательно отполированной, а поршень должен быть снабжен пружинящими кольцами 17, которые плотно прижимаются к поверхности цилиндра. Под давлением пара поршень движется попеременно вправо и влево. Эти перемещения при посредстве поршневого штока 6 и шатуна 11 передаются пальцу 25 кривошипа, вращающегося вместе с коренным валом машины. Кривошипным механизмом прямолинейные движения поршня преобразуются во вращательное движение вала, который непосредственно или при помощи трансмиссии приводит машины-орудия. Фиг. 1-1. Горизонтальная одноцилиндровая машина с золотниковым парораспределением и вильчатой рамой. 1 — задняя крышка цилиндра; 2—-паровой цилиндр; 3— поршень; 4 —передняя крышка цилиндра; 5—сальник; 6 — шток поршня; 7—ползун; £ —нижняя параллель; 9 — палец ползуна; 10— верхняя параллель; 11 — шатун; 12 — рама машины; 13 — маховик; 14 — вход пара; 15—золотниковая коробка; 16—паровой канал; 17—поршневые кольца; 18 — канал для выпуска пара; 19 — золотник; 20 — паровой канал; 21 — шток золотника; 22— шарнирное соединение штока золотника с эксцентриковой тягой; 23—эксцентриковая тяга; 24—коренной подшипник; 25—шейка (палец) кривошипа; 26— коренной подшипник; 27—хомут эксцентрика; 28 — эксцентриковый диск; 29—левое мертвое положение поршня; 30 — правое мертвое положение поршня.    ! Поршневой шток наглухо скреплен с поршнем 3 и с ползуном (крейцкопфом) 7 (в паровозных машинах ползун часто называют кулаком). В месте, где шток проходит сквозь крышку цилиндра, ставят сальник 5, назначение которого — препятствовать утечке пара через зазоры между штоком и стенками крышки. Ползун служит, с одной стороны, ш'арнир-ным соединением между штоком и шатуном, с другой стороны, он, двигаясь в направляющих-параллелях 8 и 10, передает последним вертикальную силу, возникающую в шарнире 9 механизма. Параллели отчасти принимают на себя вес поступательно-движущихся частей, несколько разгружая от него стенки парового цилиндра. В крупных машинах поршень снабжают контрштоком, проходящим сквозь левую (на фиг. 1-1) крышку цилиндра. Контршток имеет также ползун, скользящий по направляющей плоскости. В этом случае поршень со штоком представляет собой как бы балку на двух опоРах — на двух ползунах — и поршень, находясь в цилиндре навесу, в минимальной степени срабатывает поверхность цилиндра. Шатун соединяется с ползуном при помощи пальца 5 и с кривошипом — при помощи пальца 25. В некоторых типах машин, в которых лишь одна полость (со стороны крышки) является рабочей, ползун отсутствует, и шатун соединяется непосредственно с поршнем, как в большинстве двигателей внутреннего сгорания. Вал машины лежит в коренных подшипниках 24, 26, число которых не менее двух. Подшипники вместе с параллелями обычно образуют одну отливку, называемую рамой машины 12. Рама покоится на фундаменте и скреплена с ним фундаментными болтами. Паровой цилиндр в маленьких машинах находится навесу, будучи скреплен с параллелями. В более или менее крупных машинах цилиндр имеет всегда особую onqpy. Локомобильные машины крепят обычно к паровому котлу, паровозные машины — к раме паровоза. Различают коленчатые и кривошипные валы машины. Коленчатый вал показан на фиг. 1-1; его подшипники расположены по обе стороны колена, в так называемой вильчатой раме. На фиг. 1-2 изображена машина с кривошипным валом и так называемой байонетной рамой. Подшипники расположены лишь по одну сторону кривошипа (второй подшипник находится за маховиком 13). Крайние положения поршня (29 и 30 на фиг. 1-1) называются мертвыми, так как при этих положениях вал не может быть повернут силой, приложенной к поршню. Пространство между поршнем в его мертвом положении и крышкой цилиндра, включая сюда и объем каналов, подводящих и отводящих пар, называется вредным пространством цилиндра, а его поверхности — вредными поверхностями. Впуск и выпуск пара производятся специальным парораспределительным механизмом, приводящимся обычно от коренного вала машины. Пар поступает через показанный на фиг. 1-1 канал 14 в золотниковую коробку 15. В последней по золотниковому зеркалу перемещается золотник 19, управляющий впуском и выпуском пара в обеих полостях цилиндра. Золотниковая коробка соединяется с цилиндром каналами 16 и 20. Отработавший пар уда- ляется через канал 18. Золотник приводится в движение эксцентриком 28 при посредстве эксцентрикового хомута 27, эксцентриковой тяги 23 и золотникового штока 21. Показанный на фиг. 1-2 регулятор служит для того, чтобы устанавливать мощность машины в соответствии с ее нагрузкой. Изменение числа оборотов машины, возникающее при изменении нагрузки, используется для перестановки механизма, регулирующего количество или давление впускаемого пара. В данном случае регулятор действует на дроссельный клапан 3 и при уменьшении нагрузки вызывает торможение пара. Конструкция регулятора обычно такова, что колебания числа оборотов ограничиваются узкими пределами (5—7%). Скорость движения поршня на протяжении его хода непрерывно меняется: от нуля — в мертвом положении до некоторого максимума— в среднем положении. Непрерывно меняется также и сила, действующая на поршень, принимая часто даже отрицательные значения. Для обеспечения равномерного хода машины, т. е. для получения в условиях переменного вращающего момента более или менее постоянной угловой скорости вращения вала, на последний насаживают тяжелый маховик 13. При избытке движущей силы и, следовательно, повышении угловой скорости маховик накапливает кинетическую энергию, с тем чтобы отдать ее в период превышения сил сопротивления. В то время как регулятор ограничивает колебания числа оборотов, наличие маховика сводит к известному минимуму колебания угловой скорости вращения в течение одного оборота. 1-2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПАРОВЫХ МАШИН Изображенные на фиг. 1-1 и 1-2 машины представляют собой горизонтальные одноцилиндровые машины однократного расширения, двустороннего давления, с переменным направлением потока (пара. В отличие от описанной общей схемы, пар можно впускать только в одну полость цилиндра и оказывать давление на поршень только с одной стороны (всегда со стороны крышки). Другая сторона цилиндра остается всегда открытой, и поршень здесь соприкасается с атмосферой. Такие машины называются машинами одностороннего давления в отличие от более распространенных машин двустороннего давле- Конструкция с односторонним давлением ногда применяется в судовых вертикальных Г°Ризонтальная одноцилиндровая машина с золотниковым парораспределением и байонетной рамой Р6ГУЛЯТ0Р: Дроссельный клапан; кривошипа; 17 — рама. машинах и особенно пригодна для машин легкого типа в подвижных установках. В машине, изображенной на фиг. 1-1 пар входит в каждую из полостей цилиндра и выходит из нее с одной и той же стороны (возле крышки), по одному и тому же каналу в каждой из полостей цилиндра пар следует за движением поршня, и направление потока пара поэтому переменное. Существуют также прямоточные машины, в которых выпуск пара происходит посередине цилиндра в конце хода поршня, и таким образом, пар в каждой полости движется лишь в одном направлении — от крышки к середине цилиндра. Так как для машин непрямоточных нет подходящего краткого термина, то в дальнейшем мы машину с переменным направлением движения пара будем просто называть паровой машиной в отличие от прямоточной машины. 'Зависимости от того, каким паром работает машина, различают машины для п е р е- Г Р а/ ° Г ° И ДЛЯ н а с ы щ е н н о г о п а р а. Машина, построенная для перегретого пара всегда может работать и насыщенным паром' чего нельзя сказать про обратный случай ' Современные машины работают паром температура которого достигает 500° С. В дальней- Фиг. 1-3. Машина компаунд. J — цилиндр бысокого давления; 2— ресивер; 3 — цилиндр низкого шем не исключена возможность применения и более высоких температур. Паровая машина может работать на атмосферу, на конденсацию или с противодавлением. В первом случае пар из машины выпускается е атмосферу, во втором случае — в особое устройство, называемое конденсатором, в котором поддерживается давление ниже атмосферного (обычно 0,10—0,25 ата). При работе машины с противодавлением отработавший пар выпускается с давлением выше атмосферного и затем обычно' используется для целей нагрева. Величина противодавления может быть довольно значительна, но чаще всего она составляет 2—4 ата. К машинам с противодавлением можно отнести также машины высокого давления, отработавшим паром которых питаются машины (или турбины) обычного типа. В этом случае величина 'противодавления составляет 10—20 ата и выше. Фиг. 1-4. Машина тандем 1 — ползун на контрштоке; 2—контршток; 3— ц. в, д.; 4 — промежуточная опора штока; 5 — ц. н. д.
Различают машины одно- и многоцилиндровые. В последнем случае все цилиндры работают на общий вал. В простейшем случае в каждый из цилиндров поступает свежий пар, и машина состоит из комплекта совершенно одинаковых цилиндров, расположенных обычно один рядом с другим. Такие машины называют машинами однократного расширения (сдвоенными, строенными и т. д.). В отличие от них многоцилиндровые машины исполняются также в виде машин многократного расширения (двойного, тройного, реже —четверного). В машинах многократного расширения свежий пар поступает только в один из цилиндров, называемый цилиндром высокого давления или малым цилиндром. В нем пар расширяется не до конечного давления выпуска, а до некоторого более высокого. С этим промежуточным давлением тот же (отработавший в малом цилиндре) пар поступает в следующий цилиндр. Если машина — двойного расширения, пар во втором цилиндре расширяется до конечного давления выпуска, и этот цилиндр именуется цилиндром низкого давления, или большим цилиндром. В машинах тройного расширения пар из малого цилиндра поступает сначала в средний (цилиндр среднего давления), а оттуда в большой цилиндр (низкого давления). У машины двойного расширения цилиндры располагают рядом (фиг. 1-3) или один за другим (фиг. 1-4). В первой из этих систем — машине компаунд— кривошипы обоих цилиндров обычно сдвинуты на угол 90° один относительно другого. Во второй машине — машине тандем — оба поршня насажены на один шток и работают на общий кривошип. Машины тройного расширения строят - по типам компаунд, тандем или по смешанному типу тандем-компаунд. Трубы, по которым в машинах многократного расширения пар переходит из одного цилиндра в другой, называются ресивером (поз. 2 на фиг. 1-3). Давление пара в ресивере является, таким образом, давлением выпуска одного цилиндра и впуска в следующий. Иногда из ресивера часть пара отбирают для использования в нагревательных приборах. Такая система, как будет показано ниже, представляет значительные выгоды и применяется в тех производствах, где для целей нагрева требуется количество пара меньшее, чем то, которое проходит через паровую машину. Вместо того чтобы ставить специальный котел низкого давления или редуцировать свежий пар, пар отбирают из ресивера, давление в котором устанавливается в соответствии с нуждами производства. Паровые машины этого типа называются машинами с промежуточным отбором пара и строятся обычно в виде тандем-машин, которые менее, чем машины компаунд, чувствительны к изменению распределения нагрузки между цилиндрами. При колеблющемся отборе пара из ресивера распределение общей мощности между обоими цилиндрами получается, конечно, крайне неравномерным. Можно производить отбор пара непосредственно из цилиндра одноцилиндровой машины. Однако такие конструкции не получили распространения. В зависимости от рода парораспределения различают машины золотниковые, крановые и «лапанные. Паровые машины бывают горизонтальные и вертикальные (фиг. 1-3), несколько отличающиеся конструктивным выполнением отдельных деталей. Вертикальные машины применялись раньше (до появления паровых турбин) главным образом при больших мощностях; в настоящее время их применяют в- судовых и быстроходных конструкциях. Машины с числом оборотов до 150 в минуту принято считать тихоходными, с более высоким числом оборотов — быстроходными (обычно 300—400 в минуту, в ряде случаев до 1 500—2 000 в минуту). Наибольшее число машин работает паром давлением 10—20 ата. Мы будем называть их машинами среднего давления. В отличие от них машинами высокого давления можно считать те, которые работают паром давлением свыше 25 ата. В настоящее время строят машины, работающие паром давлением до 130 ата, но не исключена возможность применения и более ..высоких давлений. Классификация машин по числу оборотов и по давлению пара является, конечно, условной, и указанные цифры могут с течением времени меняться. 1-3. ИНДИКАТОРНАЯ ДИАГРАММА Паровая машина работает обычно следующим образом. Незадолго до прихода поршня в левое мертвое положение начинается впуск пара в левую полость цилиндра. К моменту прихода поршня в мертвую точку в левой полости устанавливается давление свежего пара. Под этим давлением поршень двигается вправо. При некотором положении поршня впуск пара прекращается. Момент окончания впуска называется отсечкой.. Так как при дальнейшем движении поршня объем левой полости цилиндра увеличивается, пар, впущенный в цилиндр, расширяется. Перед приходом поршня в правое мертвое положение левая полость сообщается с пространством выпуска,- и давление в этой полости соответственно падает. При дальнейшем движении влево пар выталкивается из цилиндра. Выпуск пара, так же как и впуск, не длится на протяжении всего хода поршня, а п-ои некотором положении последнего выпуск прекращается, и оставшийся в цилиндре пар подвергается сжатию. В правой полости процесс происходит таким же образом, причем впуску в левую полость соответствует выпуск пара из правой. Ввиду того что для повышения давления в цилиндре при впуске и для падения давления при выпуске пара требуется определенное время, впуск и выпуск пара начинаются еще до прихода поршня в соответствующее мертвое положение на величину опережения впуска и выпуска. Тепловой процесс машины удобнее всего рассматривать в его графическом изображении. Для этого строят обычно в координатах P,V (давление — объем) диаграмму, изображающую изменение давления пара в зависимости от объема цилиндра. Такая диаграмма называется индикаторной диаграммой. ^Образец индикаторной диаграммы (для левой полости цилиндра) представлен на фиг. 1-5, причем для ясности под диаграммой начерчена схема парового цилиндра. Поршень вычерчен в мертвом положении. Объем вредного пространства V0 отложен от начала координат. В точке а начинается рабочий процесс машины. На протяжении отрезка ab, соответствующего части V рабочего объема цилиндра, происходит впуск пара при давлении рх. Точка b определяет момент отсечки. Объем находящегося в цилиндре пара в этот момент составляет V-j-V0. Отношение ~~s называется степенью h . наполнения и обычно измеряется в процентах рабочего объема цилиндра Vh. От точки b начинается расширение пар1. Фиг. 1-5. Индикаторная диаграмма паровой машины. В точке е — начале выпуска — давление пара постепенно падает до давления выпуска pt. Давление в конце расширения, предполагая, что последнее продолжается до мертвого положения поршня, мы будем обозначать через ре. Объем, освобождаемый за время опережения выпуска, обозначим через V„. Пунктиром показано правое мертвое положение поршня. Отрезок df соответствует выпуску пара при давлении р2. В точке / начинается сжатие пара, а в точке с — впуск свежего пара. V3 представляет собой часть объема, в котором происходит сжатие (за вычетом вредного пространства); отношение rr~=sc—степень сжатия; рс—давление в конце v h сжатия для случая, когда последнее продолжено до мертвого положения поршня; Vx — часть рабочего объема в момент начала впуска. Площадь индикаторной диаграммы abedfc представляет собой, как известно из термодинамики, работу пара, находящегося с одной стороны поршня, за один оборот вала. Так как объем цилиндра пропорционален длине его, то можно считать, что длина диаграммы представляет собой ход поршня. Индикаторную диаграмму можно снять с работающей машины при помощи специального прибора, называемого индикатором. Пишущий аппарат этого прибора находится под давлением пара в цилиндре машины, я бумаге, навернутой на барабан, сообщается перемещение, соответствующее движению поршня. На бумаге получается график изменения давления пара в зависимости от хода поршня, т. е. индикаторная диаграмма. На снятых с машины диаграммах моменты парораспределения не видны так отчетливо, как на фиг. 1-5. Пересечения отдельных кривых (точки о, е, d) скругляются, линия ab получается наклонной. 1-4. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК РАЗВИТИЯ ПАРОВОЙ МАШИНЫ Мысль оо использовании давления пара зародилась в глубокой древности. Архимеду родившемуся за 287 лет до нашей эры, приписывается изобретение пушки, действовавшей водяным паром. Ряд аппаратов для подъема воды давлением пара был предложен в средние века (в 16 и 17 вв.). Однако первые попытки практического осуществления' таких аппаратов относятся лишь к концу 17 —началу 18 в Это не является случайным. Переход от ручного ремесленного или мануфактурного производства к машинному привел к тому что водяные колеса и конные приводы, служивши единственными двигателями с древних времен перестали удовлетворять возросшим требованиям промышленности. При феодальном строе, характеризующемся появлением «...наряду с ремесленными мастерскими мануфактурных предприятий» >, все отрасли промышленности еще удовлетворялись водяными колесами и конными приводами. 17 В- —при расцвете феодального строя — еще не было потребности в более мощных и независимых от местных условий двигателях. В текстильном производстве применялся только ручной труд; железоделательная промышленность обходилась для привода мехов и ковки водяными колесами и лошадьми- каменноугольная промышленность предъявляла спрос только на насосы для откачивания воды с небольшой глубины; такие же насосы требовались для различных водоподъемных и гидротехнических сооружений. По мере развития производительных сил все возрастающего укрупнения и усложнения орудии производства наступил период когда «...увеличение размеров рабочей машины и количества ее одновременно действующих орудии требует более крупного двигательного механизма, а этот механизм нуждается в более мощной двигательной силе»2. Этой «более мощной двигательной силой» и явилась «сила» водяного пара. Ее применение для одной из частных, но остро стоящих задач — подъема воды — создало технические предпосылки к осуществлению универсального теплового двигателя. Требование на универсальный двигатель возникло в связи с изобретением машины-орудия, заменившей руку человека и вызвавшей -промышленный переворот — переход от ручного ремесленного и мануфактурного труда к крупному машинному капиталистическому производству. Такой^ универсальный паровой двигатель, служащий для привода любых заводских механизмов, впервые был создан русским гениальным изобретателем Иваном Ивановичем Ползуновым (1728—1766 гг.). Существует немало имен, носителям которых различные авторы приписывают первенство в деле создания паровой машины. Ташвы, например, имена Томаса Сэвери, Дени Папина’ Томаса Ньюкомена, Джемса Уатта.    ' Однако Сэвери и Папин изобрели не паровые двигатели, а паровые водоподъемные на* сосы. В рабочем сосуде аппарата Сэвери (1698 г.) создавалось разрежение вследствие конденсации впущенного в эгот сосуд пара; под давлением атмосферы в сосуд засасывалась из водоема вода, которая затем паром вытеснялась в нагнетательную трубу. Таким образом, аппарат Сэвери мог выполнять только единственную частную функцию — подъем воды, а поэтому не мог быть и не был двигателем.    ■ В насосе Папина (1707 г.) вода вытеснялась из цилиндра поршнем, на который с другой стороны давил пар. По сравнению с аппаратом Сэвери здесь сделан шаг вперед — воплощена идея о поступательном движении поршня под давлением пара, однако движение поршня могло быть передано только воде. Но даже как водоподъемный насос машина Папина была крайне несовершенна: всасывающего действия она не имела, и воду к машине надо было тем или иным способом подавать. Ньюкомен постройкой так называемой атмосферной 'машины сделал следующий шаг, приближающий водоподъемный аппарат к поршневой паровой машине. В машине Ньюкомена (1725 г.) имелся уже вертикальный паровой цилиндр с поршнем. Пар поступал в цилиндр при атмосферном давлении, заполняя объем под поршнем, котоРый поднимался противовесом, имевшимся на конце балансира. Затем под поршень впрыскивалась вода, пар конденсировался, образовывалось разрежение, и поршень опускался под давлением атмосферы. При помощи цепи и рычага-балансира поршень машины поднимал штангу водяного насоса. Работа машины была прерывной и отдавалась приводимому агрегату только в периоды опусканий поршня. Обладая прерывной отдачей работы, машина Ньюкомена могла удовлетворительно приводить в действие только агрегаты, работавшие с перерывами, — насосы простого действия. Машина Ньюкомена, как и машина Уатта, оставалась, по меткому выражению Маркса, «простой подъемной машиной для воды и соляного раствора» Наиболее серьезным претендентом на первенство в деле создания универсального парового двигателя мог бы быть Джемс Уатт, действительно достигшии больших успехов в конструировании паровой машины. Но патент Уатта на машину с непрерывной отдачей работы относится к 1784 г., т. е. он был выдан через 19 лет после изобретения Ползуновым универсального двигателя. Таким образом, истинным творцом универсальной паровой машины непрерывного действия является русский техник И. И. Ползунов. Изобретение Ползунова не было случайным открытием, а было подготовлено всей его практической деятельностью, теоретическими знаниями, систематическим трудом и настойчивостью. В своей работе И. И. Ползунов руководствовался наиболее передовыми по тому времени взглядами на природу тепла, установленными в трудах его знаменитого современника Михаила Васильевича Ломоносова. В 1744 г. Ломоносов написал выдающийся труд «Размышления о причине теплоты и холода», в котором он впервые в мировой науке предложил и обосновал механическую теорию теплоты и отверг распространенное в то время учение о «теплороде», как об особом веществе, обусловливающем степень нагрева тел. В работе Ломоносова, почти за 100 лет до появления трудов Майера, Гельмгольца, Джоуля, мы находим такие положения: «теплота возбуждается движением...», «причина теплоты со. стоит во внутреннем вращательном движении связанной материи...» и т. п. [Л. 1]. В 1748 г. М. В. Ломоносов, также впервые в мировой науке, сформулировал как «всеобщий естественный закон» закон сохранения массы и материи. За 40 лет до Лавуазье, которому приписывают закон сохранения массы, и за 100 лет до 1 К. Маркс и Ф. Энгельс. Сочинения, т. 17, Партиздат, 1937, стр. 41?- Роберта Майера, которого неправильно считают автором закона о сохранении энергии, Ломоносов открыл существование этих законов и сформулировал их как единый закон естествознания. И. И. Ползунов был знаком с работами М. В. Ломоносова. Сын солдата, Ползунов не имел и не мог по тому времени иметь высшего образования. Однако он относится к числу образованнейших людей своей эпохи. Ползунов знал физику, умел производить инженерные расчеты и составлять чертежи. Об его эрудиции говорит тот факт, что он поддерживал созданную М. В. Ломоносовым механическую теорию теплоты. Он имел представление о законе сохранения энергии, указывая, что «сила в машине сама собой восстать не может» [Л. 2]. Неудивительно поэтому, что машина Ползунова была тщательно продуманным и грамотно спроектированным сооружением, значительно превосходящим по своему замыслу и по своему осуществлению другие предложения в области паровых машин той же эпохи. На фиг. 1-6 показан продольный разрез паровой машины Ползунов^ по чертежу, выполненному самим изобретателем. Машина эта была спроектирована им в 1763—1764 гг., построена в 1765 г. и установлена на Колывано-Воскресенских заводах на Алтае. Ее размеры: диаметр цилиндра 0,81 м, ход поршня 2,56 м.. Давление пара в котле составляло около 1,2 ата. Ориентировочная мощность машины при 15 двойных ходах поршня в минуту равнялась около' 40 л. с. Два вертикальных цилиндра машины были расположены непосредственно над паровым котлом. Пар по трубе 5 поступал в цилиндр за поршнем, который поднимался грузом, укрепленным на воздуходувном мехе. В момент прихода поршня в верхнее положение в цилиндр впрыскивалась по трубе 5 вода (из бака 16), пар конденсировался, и в цилиндре создавалось разрежение. Под давлением атмосферы поршень шел вниз, совершая механическую работу. Цилиндры работали последовательно,, обеспечивая непрерывность действия машины. Поршни тягами 13 соединялись с балансирами, при помощи которых машина приводила в действие мехи для вдувания воздуха в металлургические печи. Следует отметить, что в первом варианте машины вместо балансиров были предусмотрены шкивы, соединенные с поршнями при помощи цепей. — конструкция до того времени не применявшаяся. Фиг. 1-6. Паровая машина И. И. Ползунова. 1 — „теплев.и1 бассейн" для сбора воды; 2 — паровой котел; 3 устройство для автоматического питания котла; 4—паровпускные задвижки; 5 — паровпускные трубы; 6 — трубы для спуска воды из цилиндров; 7—воздушные трубы; 8—водораспределительное устройство; 9—трубы для подачи охлаждающей воды в цилиндры-; 1q — цилиндры машины; 11— поршни; 12—чаши; 13 — тяги; 14 труба для подачи воды из бака; 15 — дуги ^балансиров; 16 — бак с водой.    . В машине Ползунова паро-водораспредели-тельное устройство было автоматическим и представляло собой совершенно оригинальную' конструкцию, основанную на возвратно-вращательных движениях при помощи зубчатых колес. Питание котла .производилось также автоматически исключительно подогретой водой. Паровая машина Ползунова по сравнению с машинами его предшественников отличалась следующими оригинальными особенностями:. а)    она представляла собой первую в мире двухцилиндровую конструкцию; § 1-4]
Исторический очерк развития паровой машины
б)    отличалась непрерывностью действия; в)    имела автоматически действующий паро-и водораспределительный механизм оригинальной конструкции; г)    была снабжена прибором для автоматического питания котла, представлявшим собой первую в мире автоматически регулирующую систему; д)    питание котла производилось только подогретой водой. Но самое главное заключалось в том, что машина Ползунова была предназначена не для подъема воды, а для привода заводских агрегатов. Таким образом, машина Ползунова была первой в мире универсальной паровой машиной. Ползунов не дожил до пуска в ход своей машины, скончавшись в 1766 г. Его ученики, однако, сумели довести до конца великое дело первого русского теплотехника. В мае 1766 г. машина была пущена в ход, а в августе того же года была принята в эксплоатацию для обслуживания заводских механизмов. Три месяца успешно проработала машина. Она работала бы, несомненно, и дальше, но мелкие неполадки (течь котла) заставили остановить машину, и больше в ход она уже не пускалась. Непосредственно после смерти изобретателя не нашлось людей, которые могли бы поддержать его идею «... огонь слугою к машинам склонить...» и «...облегчить труд по нас грядущим». Заводчики того времени считали более дешевым труд крепостных рабов, чем применение машин, облегчающих этот труд. Машина Ползунова была разрушена. Российская Академии наук, состоявшая в то время преимущественно из иностранцев, будучи осведомлена о работе Ползунова, предала забвению великое дело русского теплотехника. Работа И. И. Ползунова почти на столетие опередила русскую действительность; в условиях феодально-крепостнического режима паровая машина не могла, конечно, получить широкого распространения. Однако гибель машины Ползунова и погребение в пыли архивов всех достигнутых им результатов характерны для того времени, когда совершенно игнорировались великие творческие силы русского народа в области техники. А между тем в 1794 г. на прядильной фабрике в Манчестере появилась двухцилиндровая паровая машина, воспроизводившая изобретение Ползунова [Л. 2]. Строителем ее был некий Фальк, видевший машину Ползунова и даже описавший ее в печати. Машина, построенная Фальком по проекту Ползунова, работала более 30 лет, что подтверждает обоснованность предложений И. И. Ползунова. Если И. И. Ползунов по праву должен считаться творцом первой универсальной двухцилиндровой паровой машины непрерывного действия с автоматическим парораспределением, то дальнейшим усовершенствованиям, приблизившим паровую2 машину к современным конструкциям, техника обязана Джемсу Уатту. В 1769 г. Уатт получил патент на машину, могущую работать при давлении выше атмосферного, с теплоизолированным цилиндром и с выпуском пара в атмосферу или в отдельный конденсатор, снабженный насосом для откачивания воздуха. Первая машина Уатта—-одноцилиндровая, одностороннего давления — была построена в 1775 г. Как и машины западноевропейских предшественников Уатта, она была предназначена для подъема воды. Пар поступал в верхнюю полость цилиндра, в то время как нижняя полость сообщалась с конденсатором. По достижении поршнем нижнего положения открывался клапан, соединяющий между собой обе полости, и пар из верхней полости перетекал в нижнюю. Движение поршня вверх достигалось под действием избыточного веса плеча балансира. Цилиндр был снабжен паровой рубашкой. В 1782 г. Уатт запатентовал машину, работающую с расширением пара в цилиндре. В 1784 г. он получил патент на машину двустороннего давления, явившуюг.я вторым после машины Ползунова двигателем непрерывного действия. Почти одновременно Уатт изобрел машину с вращательным движением, причем передача от норшня к балансиру осуществлялась так называемым параллелограммом Уатта, а передача от балансира к валу — зубчатой передачей. Наконец, Уатт применил маховое колесо для уменьшения колебаний скорости вращения и регулятор, управляющий дроссельным клапаном на паропроводе к машине К Машина Уатта с отмеченными усовершенствованиями схематически показана на фиг. 1 -7. Паровой цилиндр I двустороннего давления снабжен автоматическим парораспределением, управляемым регулятором 2. Пар выпускается в конденсатор 3, обслуживаемый мокровоздушным насосом 4. Движение поршня через параллелограмм 5 передается балансиру 6, а от него — валу через зубчатую передачу 7. Равномерность хода поддерживается маховиком 8. В 1783 г. (т. е. почти через 20 лет после создания И. И. Ползуновым универсальной паровой машины) машина Уатта была поставлена на заводе для привода кузнечного молота. В 1799 г. один из сотрудников Уатта изобрел золотник с эксцентриковым приводом. В начале 19 в. стали применять запатентованный еще в 1779 г. кривошипно-шатунный механизм, впоследствии заменивший все другие виды передачи движения от поршня. Машины Уатта работали паром низкого давления (всего 0,1—0,3 ати) и поэтому отличались чрезвычайной громоздкостью. Так, например, в одной из его машин (1830 г.) при мощности 20 л. с. диаметр цилиндра составлял 633 мм, ход поршня — 1 530 мм. Поэтому дальнейшее развитие паровой машины шло в первую очередь по пути повышения давления пара. К 1800 г. относится первый патент на машину высокого давления (3,5—7 ата), а в 1823—1827 гг. уже пытаются работать паром давлением до 56 ата. В это же время стали впервые применять перегретый пар, хотя широкое внедрение перегретого пара в паротехнику относится к 1892 г.    ’ Машина, основанная на принципе двойного расширения, была запатентована в 1781 г., а независимо от этого в 1820 г. русским изобретателем Степаном Литвиновым была предложена оригинальная конструкция машины компаунд двустороннего давления [Л. 1]. Пови-димому, машина эта не была осуществлена, но рассмотрение чертежей Литвинова свидетельствует о незаурядном таланте изобретателя, паровой машины надо считать 1900 г. К этому времени были введены почти все крупные усовершенствования, давшие возможность удовле-машине требованиям’ предъявляемым паровой пот^ГгЛеДУЮЩИе годы основная задача па-[нпнпл заключалась в повышении эконо- предложившего в 1820 г. один из наиболее современных типов паровой машины. В течение продолжительного времени паровые машины снабжались золотниковым парораспределением с неизменной степенью наполнения. Парораспределение кранами и клапанами применялось даже в машинах 18 в., (в частности, в машине Ползунова), но широкое распространение эти механизмы получили значительно позже: крановое парораспределение— ° 1 oct лапанное парораспределение — с lobo г. Следует отметить, впрочем, что в настоящее время крановое распределение из-за ряда недостатков почти не применяется; клапанные же механизмы и сейчас являются одними из наиболее распространенных. Продолжателями дела Ползунова в нашей стране явились многочисленные русские техники-новаторы. Еще в 18 в. оригинальный проект «огнедей-ствующеи» машины создал в Кронштадте Роман Дмитриев. В 90-х годах того же столетия работал в Кронштадте, а затем в Забайкалье строитель паровых машин Федор Борзой. Разработкой конструкций паровых машин ЛевИЛСабаки|КЖе Тверской гУбернский механик ® 1815 г- Вяткин построил оригинальную паровую машину для Верх-Исетского завода.
вызня™.ЛаРОВОЙ м^шины> что было отчасти г i опу онкУРенци€Й с паровой турбиной. ние ппяддптГА,то0ЛуЧа10т шиРокое распростране-бпй пГ ,Ь1е машины> отличающиеся осо- ЭкпномГСТОТОИ *0НстрУ™ и повышенной экономичностью. Первый в мире паровоз с прямоточной машиной был построен Коломенским машиностроительным заводом для Московско-Казанской железной дороги. С 1920 г. начинается широкое применение пара высокого давления: 60—100 ата\выше Параллельно с ростом давления повышалась и температура пара. Почти до конца 19 в. для работы паровых шеШ260“Пс"“пГ”,«РооС те”Ч>аТУРо* не свы- и-™    Лишь в 1892 Г. была предложена тДЗИс’ успешно работавшая при температуре 350 С, а к 1930 г. перегрев пара был доведен до 450 и даже до 480°С. чит^И8М Еремеш наблюдался также зна- г аб а питы иР RpT ™СЛа обоР°ТОв’ влияющего на гаоариты и вес машины кшДк Г' ^ИМ ЧеРепанов. из крепостных крестьян, построил паровую машину для Нижнетагильских заводов1. В дальнейшем им и его сыном Мироном Черепановым был построен рудников™ ДЛЯ Уральских заводов и медных Черепановы являются выдающимися машиностроителями своего времени. Они создали отп™ИЧ™КИИ *завод' занимавшийся производив < ЗНО Разных машин и механизмов. ?Н1РеТаЛИ’ “Р^кгировали и строили воздуходувные установки, прокатные машины молоты, лесопильные установки и др. Опыт' приооретенный Черепановыми при сооружении этих машин, позволил им построить в 1834 г первый русский паровоз. Труды Черепановых завоевали нашей стра-право стоять в числепервых четырех стран дорогах^1 МеНИВШИх паРовую тягу на железных R,,.B 1815 г; от°шел в свой первый рейс первый русский пароход «Елизавета», построенный в Петербурге. р, ® 1832 г- Русские техники построили пер-ую в мире пароходную машину без балансира, кульминационным пунктом dазвйтий _ 2 г. с. Жирицкий. ___,    I I| | г рее:*./\ гсЕ~ '
лиш^аХН!?пУа«Уа КОТйа 18 стож™я лелали пампяг™    ПР“е»«иие клаоанных парораспределении позволило к началу 20 r ну?у С0ТлняГСЛО °бор(>тов до 100 и более в ми-’ У У- Однако даже и теперь машины с числом Оборотов порядка 300 в минуту считаются ЬяГ0Х°ДНЬШИ’ ХОТЯ имеются конструкции работающие при 2 500 об/мин. Машины этого последнего типа приближаются по свс£й ко™ двигателямК аВТОМобильньш и авиационным * Следует отметить, что творец первого в мире мапшнГ Можайский применил паровую машину в качестве двигателя для своего аппарата. Заказанные им в Англии машины хотя и представляли собой лучшее, что могла дать гпипг ВР6МЯ ЗЗГраничная техника, оказались 1яжелыми До 6,4 кг/л. с. Поэтому Можаискии сам взялся за конструирование паровой машины и провел эту работу настолько удачно, что в 1883 г. построил (на Балтийском у^0м^ИТеЛЬНОМГАаводе^ машину типа компа-У Д ощностью 50 и. л. с., которая вместе с котлом весила всего 4,5 кг/л. с. [Л. 3]. Таким малым весом не обладала в то время Нй^одна^а|кжа^йашина,: и Можайскому при-
Йвканская______________________________ надлежит приоритет в построении паровой машины легкого типа. Повышение начальных параметров пара, углубление вакуума, усовершенствование конструкции влекли за собой повышение экономичности машины. Первые машины Уатта с непрерывным вращением имели общий к. п. д. (по отношению к теплотворной способности топлива) не более 3%. К 1840 г. этот к. п. д. достиг для лучших машин 8%. Одна из машин 1855 г. имела к. п. д. 12%. В 20 в. общий к. п. д. установки с паровыми машинами достиг 20—25%. Существенные изменения претерпела и общая компоновка паровой машины. От первых одноцилиндровых машин в 19 в. перешли на постройку преимущественно трехи четырехцилиндровых машин многократного расширения. Машины эти отличались чрезвычайной громоздкостью и сложностью конструкции. Представление о них дает фиг. 1-8, на которой показана вертикальная паровая машина мощностью 2 ООО л. с. конструкции 1900 г. Высота этой машины была равна 12 ж. В дальнейшем конструкции паровых машин были упрощены: число цилиндров было дове- Фиг. 1-8. Вертика^ная машина тройного расширения мощностью 2 000 л. с. (1900 г.). Фиг. 1-9. Горизонтальная прямоточная машина. дено до одного-двух, движущиеся части закрывались обшивкой. Типичным примером современной машины небольшой мощности может служить изображенная на фиг. 1-9 одноцилиндровая горизонтальная прямоточная машина. Принцип использования теплоты отработавшего пара был известен давно. Приоритет в этом отношении принадлежит И. И. Ползу-нову, отводившему сконденсировавшийся пар в «теплый ящик» и использовавшему эту воду для питания котла.    • Известны факты использования отработавшего пара для отопления и других нагревательных целей в 1830 г. [Л. 4]. Однако широкое применение машины с противодавлением и с промежуточным отбором пара получили лишь в 20 в. В настоящее время стационарные машины чаще всего находят себе применение в тех случаях, когда при небольшой сравнительно силовой нагрузке требуется одновременно пар для технологических целей.    * Разработка теории паровой машины шла параллельно с ее конструктивным развитием. Первый русский теплотехник И. И. Ползунов сумел уже, хотя и элементарно, рассчитать построенную им машину. Трудами Карно, Клаузиуса, Ренкина, Цейнера, Гирна были созданы в середине 19 в. основы теории паровой машины. Ведущими работами по теории паровой машины, опирающимися на современную термодинамику, являются труды русских ученых В. И. Гриневецкого и А. А. Радцига. Лишь немного не доживший до нашей, советской, эпохи проф. В. И. Гриневецкий создал наиболее стройную, глубоко научную теорию паровой машины, дающую прочную основу для ее аналитического расчета. Чл.-корр. Академии наук СССР А. А. Рад-циг (умер в 1941 г.), являвшийся крупнейшим и разносторонне образованным теплотехником Советского Союза, выпустил еще в 1904 г. свой классический труд «Математическая теория обмена тепла в цилиндре паровой машины» [J1. 5], в котором аналитически разрешается одна из сложнейших проблем паровой машины. Трудами русских ученых в значительной степени создана и теория регулирования машин. Проф. И. А. Вышнеградский [Л. 6 и 7] и проф. Н. Е. Жуковский [Л. 8] являются общепризнанными творцами математической теории регулятора, позволяющей с большой точностью проектировать современную сложную систему регулирования машины. В настоящее время в связи с успехами паровых турбин область применения поршневых машин значительно сузилась и ограничивается лишь небольшими мощностями. В Советском Союзе особенное внимание уделяется производству локомобилей, объединяющих в одном агрегате паровую машину, котел и вспомогательные устройства. На целесообразность широкого применения локомобилей указывал еще в 1915 г. В. И. Гриневецкий. Широко применяется паровая машина на железнодорожном транспорте, где паровоз пока является наиболее распространенным из всех типов локомотивов. До Великой Отечественной войны стационарные паровые машины строились в СССР Сумским машиностроительным заводом, локомобили — Херсонским и Людиновским заводами. Эти заводы были, как известно, разрушены немецкими захватчиками. В настоящее время они полностью восстановлены и выпускают первоклассную продукцию. Кроме того, у нас построены новые локомобильные заводы — Сызранский и Могилевский. Судовые и паровозные машины выпускает ряд специализированных заводов. 1-5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛА В ПАРОВЫХ МАШИНАХ И ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ Из имеющихся в каждом килограмме пара i\ ккал в паровой машине могут быть использованы максимально h — h ккал, где h — теплосодержание отработавшего пара в случае полного адиабатического расширения его в машине. Так как отработавший пар даже самого низкого давления обладает скрытой теплотой парообразования, составляющей главную часть полной теплоты пара, использование тепла в паровых двигателях вообще не может быть высоким. В машинах среднего качества общий коэффициент использования теплоты топлива (учи-2* тывая, следовательно, и потери в паровом котле) составляет 10—12%. В хороших современных машинах к. п. д. доходит до 20%. При благоприятных условиях и с применением пара очень высоких давлений к. п. д. установок с паровыми машинами может дойти до 25%» Не исключена возможность достижения и более высокой экономичности. Коэффициент полезного действия установок с использованием теплоты отработавшего пара машин, конечно, гораздо более высок. С точки зрения использования теплоты топлива паровые машины в чисто силовых установках не могут конкурировать с двигателями внутреннего сгорания. Однако возможность работы паровых котлов на любом топливе часто делает паровую установку более рентабельной и заставляет сделать выбор в пользу паровой машины. При использовании отработавшего пара паровая установка почти всегда предпочтительнее, чем установка с двигателями внутреннего сгорания. Серьезным конкурентом паровой машины; является паровая турбина, имеющая при крупных мощностях более высокий к. п. д. и обладающая значительной компактностью и рядом* других преимуществ. Паровые турбины совершенно вытеснили* паровую машину из крупных теплосиловых станций и из судовых установок значительной мощности. Для паровых машин остались лишь следующие области применения. 1. Подвижные машины: паровозы, пароходы и локомобили. В первых двух случаях повышенный расход топлива приносится в жертву надежности, простоте обслуживания, долговечности, удобству реверсирования, возможности большой перегрузки. В третьем случае, кроме указанных преимуществ, особенно ценится возможность использования в топке локомобиля любых, топлив.    . Современные паровозные машины почте, всегда работают перегретым паром с выпуском в атмосферу и строятся или однократного расширения (сдвоенными, строенными, счетверенными), или по типу компаунд (более распрог-странены машины однократного расширения). Пар ор аспределение обычно золотниковое. Мощность паровозных машин достигает значительной величины (4 ООО л. с. и более). Судовые машины чаще всего строятся вертикальными компаунд, с расширением пара до-четырехкратного (речные машины часто выполняются с наклонной к горизонтали осью),.. Перегрев пара применяется лишь в последнее время. Эти машины всегда работают на конденсацию и обычно имеют золотниковое парораспределение (реже — клапанное). Заводы выпускают судовые машины значительной мощности, однако на больших пассажирских пароходах они уступили место паровым турбинам. Машины большой мощности (1 ООО л. с. и более) ставят на судах лишь в тех случаях, когда от них требуется особая надежность работы и выносливость (например, на ледоколах). Локомобильные машины выполняются или одноцилиндровыми, или двукратного расширения (тандем или компаунд). Стационарные локомобили обычно имеют пароперегреватель и работают на конденсацию. Парораспределение — золотниковое или клапанное. Локомобили чаще всего строят мощностью до 500 л. с. Паровая машина является подходящим двигателем для моторных вагонов, автобусов, грузовиков, тракторов, всякого рода подъемных устройств.    . Делались опыты изготовления паровых легковых автомобилей и установки паровых машин на самолетах. В обоих случаях применя-: лись быстроходные машины высокого давления. Широкого распространения машины легкого типа не получили, так как надежность работы машины приносилась в жертву ее весу, но даже построенная с учетом достижений авиамоторостроения паросиловая установка всегда .имела больший удельный вес, чем бензиновый двигатель. 2. Стационарные машины малой и средней мощности. Эти машины обычно применяются: а) в случае использования теплоты отработавшего пара; б)    в случае наличия местного топлива, непригодного для двигателей внутреннего сгорания; в)    в тех случаях, когда повышенный расход топлива не имеет существенного значения. Особенно выгодно применение паровых машин в установках с использованием теплоты отработавшего пара, где общий к. п. д. установки доходит до 80 %. Поэтому машины с противодавлением и с промежуточным отбором пара являются наиболее рациональными типами стационарных машин. Однако и здесь применение паровых машин ограничивается потребной мощностью. Во мно- • гих случаях при нагр^ зке свыше 300—500 л. с. предпочитают установку паровой турбины. •В отдельных случаях турбину ставят и при меньших мощностях. С другой стороны, иногда оказывается целесообразным устанавливать паровые машины мощностью 1 000—2 000 л. с., например для непосредственного привода поршневых компрессоров. Для конденсационных стационарных машин в настоящее время наибольшее распространение получила прямоточная система. Наряду с ней, впрочем, выпускаются и машины прежнего типа. Прямоточные машины строятся одноцилиндровыми, других систем — также компаунд и тандем. Парораспределение — чаще всего клапанное, расположение цилиндров — горизонтальное. Наблюдается определенно выраженная тенденция к повышению числа оборотов паровой машины и скорости движения поршня. Быстроходные машины часто строят вертикальными. В новых машинах применяется преимущественно перегретый пар со все более и более повышающимися давлением и температурой. Вышесказанное определяет также области применения паровых машин в Советском Союзе и перспективы их развития. В СССР при наличии большого числа центральных электрических станций (паротурбинных или гидравлических), объединенных в мощные энергетические системы, стационарные паровые машины большой мощности не могут найти себе применения, за исключением некоторых конструкций специального назначения. Стационарные машины средней и небольшой мощности используются в Советском Союзе для электрификации отдаленных районов, не охваченных энергетическими системами. При наличии в этих районах местного топлива паровая установка с паровой машиной является наиболее целесообразной по надежности в эксплоатации и простоте обслуживания. С успехом могут применяться для таких установок и локомобили. Последние получили у нас чрезвычайно большое распространение. Они широко применяются в сельском хозяйстве, для электрификации колхозов, на торфо- и лесоразработках, а также на различных предприятиях местной промышленности в районах, отдаленных' от энергетических систем.    . При наличии дешевого местного топлива (торф, солома, опилки и т. п.) применение паровых машин небольшой мощности иногда оказывается целесообразным даже в электрифицированных районах, в особенности там, где имеется возможность использовать для нагревательных целей отработавший пар из машины. .    • Паровоз еще длительное время будет занимать ведущее место среди локомотивов других типов (электровозы, тепловозы, турбовозы с паровой или газовой турбиной). Его исключительная надежность в работе, благоприятная тяговая характеристика и легкость маневрирования оправдывают широчайшее распространение паровозов. Столь же уместна паровая машина в морском и особенно в речном транспорте. Возможность работы на твердом топливе предоставляет машине громадное преимущество перед двигателями внутреннего сгорания. Те же благоприятные качества паровой машины, которые были указаны применительно к паровозам, будут стимулировать еще в течение многих лет ее широкое применение на водном транспорте. Из сказанного ясно, что паровая машина, еще не отжила свой век; она имеет значительные области применения, в которых ее «право-гражданства» неоспоримо и стабилизировалось. К тому же конструктивные формы паровой машины послужили образцом для многих других современных машин, и потому изучение паровой машины попрежнему необходимо со всей тщательностью, которую может требовать-широко распространенный двигатель. РАЗДЕЛ ВТОРОЙ РАБОТА ПАРА В ПАРОВОЙ МАШИНЕ ГЛАВА ПЕРВАЯ ИДЕАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПАРОВЫХ МАШИНАХ Фиг. 2-1. Цикл Ренкина.
L — -± о —
А
2-1. ЦИКЛ РЕНКИНА Идеальным циклом паросиловой установки — как с поршневыми машинами, так и с турбинами — является цикл Ренкина, подробно рассматриваемый в курсах термодинамики. Сопоставляя реальный процесс в паросиловой установке с идеальным циклом, можно не только оценивать степень совершенства машины, но и сравнивать между собой паровые машины и турбины. Следуя циклу Ренкина, пар (насыщенный или перегретый) расширяется адиабатически в машине до давления выпуска, после чего от пара отнимается в конденсаторе скрытая теплота парообразования, и пар полностью превращается в воду, температура которой равна температуре насыщения отработавшего пара. Вода питательным насосом подается в котел, причем давление воды доводится до давления свежего пара; в котле производится подвод тепла, вода подогревается, обращается в пар и последний, если это требуется, перегревается. Как известно из термодинамики, работа 1 кг пара в таком цикле
где ръ it—начальные давление и теплосодержание пара; Рг> Ч — конечные давление и теплосодержание пара; ■^2 — удельный объем воды; А — тепловой эквивалент работы. Первый член этой формулы представляет собой работу машины, второй — работу насоса для подачи воды в котел, вычисленную без учета сжимаемости "воды, что в инженерных расчетах вполне допустимо.
■Ol— А)^2»
При невысоких давлениях пара (приблизительно до 30 ата) работой насоса, ввиду ее незначительности, пренебрегают и принимают для цикла Ренкина — ^ — i2. Цикл Ренкина в координатах р,, v представлен на фиг. 2-1. Отрезком ga измеряется удельный объем v2 воды, принимаемый, как сказано выше, независимым от давления. При изменении состояния пара вдоль линии ab происходит подвод тепла; вдоль Ьс — адиабатическое расширение до давления р2\ вдоль cf—отвод тепла (конденсация пара), причем в точке / весь пар превращается в воду; вдоль fa — повышение давления воды до величины /?j и перекачивание воды в котел, где она нагревается до температуры и испаряется. Площадью gbch измеряется работа машины, площадью gafh— работа насоса, площадью cibcf—полезная работа цикла. Так как отрезок ga очень мал по сравнению с ab (на фиг. 2-1 не показано их истинное соотношение), то в дальнейшем при графическом изображении цикла мы будем пренебрегать площадью gafh и линию а/ будем совмещать с осью ординат. На диаграмме фиг. 2-2 представлены идеальные процессы паровой машины в координатах Т, S. Цикл Ренкина для насыщенного пара изображается в этих координатах кон-
изображается отрезком АВ. Для насыщенного пара, например при рг = 20 ата, р2 = 0,2 ата, найдем: ^ = 668 ккал/кг;3 г'2 —498 ккал/кг; Фиг. 2-2. Идеальные процессы паровой машины в координатах Т, S.
z' = 60 ккал 1кг. Если пренебречь работой, затрачиваемой на подачу воды, что в данном случае допустимо, то _ 668-498 , ^ — 668— 60 Цикл Ренкина для перегретого пара изображается в координатах Т,S (фиг. 2-2) площадью abb^cj. Рассмотрим влияние отдельных параметров на к. п. д. цикла Ренкина. Чтобы выяснить, каким образом влияет степень разрежения в конденсаторе на термический к. п. д., построим кривую зависимости ^ от рг. Это построение выполнено на фиг. 2-4 по формуле (2-1) для р1 = 20 ата, tl== 350°С. Из диаграммы видно, что t\t возрастает с увеличением степени разрежения, особенно значительно при высоком вакууме. туром abcf (ничтожным повышением температуры воды при ее адиабатическом сжатии пренебрегаем). Термический к. п. д. представляет собой •отношение работы цикла к подведенному количеству тепла: площ-abcf Ъ-
' площ-abnmf’ Так как подведенное к циклу количество тепла составляет — i2, где i'2—теплосодержание питательной воды, в данном случае •соответствующее температуре /2 в конденсаторе, то ALо h~h — A(p1—p2)v2 %== ;-7- (2-1) или, если пренебречь работой, затрачиваемой на подачу воды: _ *1 — h t\ — In Фиг. 2-3. Адиабатическое расширение пара в координатах /, s. Повышение давления пара при впуске благоприятно сказывается на термическом к. п. д. Падение теплосодержания при адиабатическом расширении удобнее всего определять лри помощи г^-диаграммы (фиг. 2-3), где оно '    •    w,v/    UHtU. Фиг. 2-4. Зависимость термического к. п. д. от давления при выпуске Oi = 20 ата, 1г ~ 350° С). Как видно из фиг. 2-5, построенной для различных противодавлений при ^=400°С, f\t быстро возрастает при повышении давления свежего пара приблизительно до 20 ата. Далее увеличение ц( идет замедленным темпом, особенно при давлениях свыше 80 -f-100 ата. Максимального значения достигает при давлении около 200 ата. Теоретические выгоды от применения перегретого пара показаны на фиг. 2-6. Здесь построены кривые для f\t в функции начальной температуры для случаев работы на конденсацию (верхняя кривая) и с противодавлением. В обоих случаях р1 = 20 ата. О действительной выгодности применения пара высокого давления, перегретого пара и конденсации будет сказано ниже. Представление о максимальных величинах к. п. д. цикла Ренкина дают следующие цифры. Для л = 200 ата, *1== 500°С, А = 0,1 ата имеем: Фиг. 2-7. Индикаторные диаграммы цикла Ренкина и цикла с неполным расширением пара.
h = 774,7 шал/кг; —*'2 = 310,2 ккал/кг; i2 = 45,4 к к ал 1кг; v2 = 0,001 м*\кг; А(Р\—Ръ)v'2=4,7 ккал!кг; 4Я 4 и,**!». 774,7 — 45,4 Для тех же значений рх и tx при 0,04 ата 11/ = 0,45. Последняя^ цифра является максимальной для идеальной паровой машины, работающей по циклу Ренкина в крайних практически возможных в настоящее время пределах давления и температуры пара. Диаграмму abcf-^в.а фиг. 2-1 можно рас- Фиг. 2-5. Зависимость термического к. п. д. от начального давления пара (^ = 400° С). Фиг. 2-6. Зависимость термического к. п. д. . от начальной температуры пара {р-^=20 ата). сматривать также как идеальную индикаторную диаграмму паровой машины при условии, что по оси абсцисс отложены не удельные объемы пара, а объемы, освобождаемые в цилиндре при движении поршня. Такая диаграмма представлена на фиг. 2-7 (abcf). ab представляет собой в этом случае линию впуска пара и V— объем впущенных в одну полость G кг пара за один ход поршня; Ьс — Цикл с неполным расширением пара 2-21
25
линию адиабатического расширения пара до давления выпуска р2; с/— линию выпуска пара; fa повышение давления в момент начала впуска; Vk — рабочий объем цилиндра. Объемом воды при построении диаграммы пренебрегают, поэтому точки а и / лежат на оси ординат. Предполагается, что машина работает без вредного пространства, без сжатия и без каких-либо потерь на трение теплообмен, утечки и т. п.    ’ В идеальной диаграмме берут или ту же степень расширения , или то же давление ре магний РасшиРения> что и в действительной что Г^ГЦеСС СТР°ИТСЯ в предположении, cpnwnncJ Уют потери, связанные с дрос-ного пппгтпМ’ Утеч^ой пара, влиянием врсд-и теплоипп пНСТВЗ (отсУтствие сжатия пара) ТГ°ГВОДКостью стенок цилиндра. шипениемРДИпяпяХ Г’^цикл с неполным рас- abedf (фиг 2 2') ^обРажаетСя диаграммой uueaj (фиг. 2-2). По сравнению с пиктом Ренкина имеется потеря    чиклом плпптя nvnfi ~ и1еРя тепла, измеряемая рой еТ ’ ОГраНЙЧенной свеР*У изохо-тп Е^ли паР в^жный (со степенью сухости х) той ГГвРГе ПаРа изображается адиабатой Ь2е2. в случае работы перегретым паоом процесс парообразования и перегрева nS ставится кривои аЬЪъ а превращенное в работу 2?ЛГк::Г будет изм^Ряться площадью abb^e^df. Кривые расширения одного и того же количества перегретого и влажного пара изображены на фиг. 2-7 в виде адиабат *1 И и2е2. Первая кривая идет круче, вторая — оложе, чем линия be сухого насыщенного пара ГА иг 9 ТЛЛ°ЩаД,Ь индикат°Рной диаграммы 7 wJ ,ЫТЬ Разбита на площади abek— Lx и kedf~L2, то работу, эквивалентную площади abedf, проще всего вычислить при помощи /5-диаграммы. Положим, что индикаторная диаграмма ДЛЯ KZ Пара‘ Тогда площадь abek тппя nn паденшо теплосодержания 1 кг ле£ияpi ?"СеШИреНЙИ °Т давления Л до дав-=
В термодинамике доказывается, что площадь такой диаграммы, отнесенной к 1 кг рабочего пара, равна площади диаграммы цикла Ренкина в координатах р, v, а работа L измеряемая площадью abcf на фиг. 2-7 равна работе G кг пара в цикле Ренкина, т. е. 1=0\~АГ—(Р1 — ]• Если, однако, в /w-диаграмме цикла Ренкина каждая точка характеризует состояние рабочего тела, количество которого остается в течение цикла неизменным, то на индикаторной диаграмме каждая точка указывает давление пара в цилиндре при том или ином положении поршня, причем количество находящегося в цилиндре пара неодинаково в различных точках процесса. Использование цикла Ренкина в качестве ■ идеального процесса для паровых машин связано с тем неудобством, что длина индикаторной диаграммы, а следовательно, объем парового цилиндра оказывается весьма значительным (за счет асимптотического характера кривой расширения). При окончании расширения в точке е рабочий объем цилиндра значительно сокращается, а связанная с этим потеря от неполного расширения пара выражается лишь небольшой площадкой ecd диаграммы (фиг. 2-7). Если vе удельный объем пара в точке е, L4.~{Pe—p^Ve. Удельный объем пара в конце расширения ve=zxv', где х степень сухости, определяемая для w точки е по «-диаграмме; ve ~ определяемый по таблицам удельный объем сухого насыщенного пара пои давлении ре.    И
то
2-2. ЦИКЛ С НЕПОЛНЫМ РАСШИРЕНИЕМ ПАРА Руководствуясь вышесказанным, считают иногда идеальным процессом для паровой машины цикл с неполным расширением пара. Осуществление полного расширения пара в цилиндре не представляет для конструктора особых затруднений. Однако машины с полным расширением невыгодны, так как с увеличением объема цилиндра увеличивается стоимость машины, а также ряд потерь. Поэтому целесообразно допустить небольшую потерю от неполноты расширения и принять за идеальную диаграмму не abcf, a abedf на фиг. 2-7 'Для сухого насыщенного пара). Если в точке е пар еще перегрет то v определяют по известным эмпирическим Формулам, таблицам или диаграммам.
Фиг. 2-8. Термический к. п. д. циклов Ренкина и с неполным расширением пара при различных давлениях в конце расширения. Вся работа 1 кг пара (кгм) будет равна I = А + А» = 427 (z, — ie) + 10 ООО (ре — рs) ve. Термический к. п. д. цикла с неполным расширением пара _ AL _i\ — ie | 10 ООО (ре Рз) ve (2-3) _ I'l — 4 ~ h — 4    427 (/j — /2') ' V J Пример. Определить к. п. д. цикла с неполным расширением пара для машины, работающей при следующих параметрах: рг—20 ата (пар насыщенный); р2 = = 0,2 ата; ре = 1,2 ата. По /s-диаграмме находим: /j = 668 ккал/кг; ie — = 555 ккал/кг. По таблицам для пара находим: i{ — 60 ккал/кг. Удельный объем сухого насыщенного пара при давлении ре = 1,2 ата (по таблицам) vе = 1,46 м3/кг. Степень сухости пара в конце адиабатического расширения (по гя-диаграмме) л; = 0,84. Удельный объем пара в конце расширения ve = xv'e =0,84• 1,46 = 1,23 м?[хг. Коэффициент полезного действия цикла _ 668 —555 , 10 000(1,2 —0,2)-1,23 ^ 668 — 60 + 427(668 — 60) — = 0,186 + 0,047 = 0,233 (сравнить с коэффициентом %=0,28 цикла Ренкина, вычисленным в предыдущем параграфе при тех же данных). На фиг. 2-8 построены кривые к. п. д. для различных начальных давлений насыщенного пара в двух случаях: работы на атмосферу (рг == 1 ата) и на конденсацию (р2 = 0,1 ата). Для обоих случаев приняты различные перепады давления ре — рг в конце расширения, а именно: 0; 0,5; 1 ата и соответственно давления ре: 0,1; 0,6; 1,1 для работы на конденсацию и 1; 1,5; 2,0 — для работы на атмосферу. Из фиг. 2-8 ясно, что один и тот же перепад давления в конце расширения вызывает при работе на конденсацию в 4—5 раз большую потерю от неполноты расширения, чем при работе на атмосферу. Величину перепада давления ре — следует выбирать на основании экономических соображений; однако для машин с противодавлением этот перепад должен быть больше, чем для конденсационных машин. Хотя цикл с неполным расширением пара, несомненно, является идеальным процессом для паровых машин, однако некоторая произвольность выбора давления ре затрудняет использование цикла в качестве эталона при сравнении различных машин. Поэтому на цикл с неполным расширением пара следует ориентироваться лишь при конструировании индикаторной диаграммы машины в стадии ее проектирования. Идеальным же процессом машины, с которым следует сравнивать реальные процессы различных машин, остается цикл Ренкина. Для сравнения экономичности поршневых машин и паровых турбин удобнее всего пользоваться циклом Ренкина как вполне определенным процессом, характеризуемым лишь начальными параметрами и конечным давлением пара. Поэтому потерю от неполного расширения пара мы в дальнейшем будем рассматривать как потерю, хотя она свойственна разобранному в этом параграфе циклу и конструктор умышленно допускает ее. ГЛАВА ВТОРАЯ РЕАЛЬНЫЙ ПРОЦЕСС В ПАРОВОЙ МАШИНЕ 2-3. ПОТЕРИ НА УТЕЧКИ ПАРА Не все количество пара, впускаемого в паровую машину, принимает участие в ее работе. Утечка пара может происходить главным образом в органах парораспределения и в паровом цилиндре. В первом случае вследствие неплотности парораспределительного органа свежий пар перетекает или в паровой цилиндр — в моменты, следующие за отсечкой, или (что обычно бывает в золотниковых машинах) непосредственно в паровыпускную трубу. Во втором случае происходит перетекание пара из одной полости цилиндра в другую вследствие неплотного прилегания поршня (вернее, поршневых колец) к стенкам цилиндра. Утечка пара может происходить также через сальники поршневого штока и органов парораспределения. Эту утечку, однако, легко заметить и устранить, так что в нормально эксплоатируемых машинах на утечку через сальники рассчитывать не следует. Наиболее опасна утечка в тех местах, где свежий пар может перетекать в паровыпускную трубу, вовсе не совершая работы, например в золотниковой коробке. чением удельного объема Vi пара с повышением его температуры (утечка обратно пропорциональна y'v1), а, во-вторых, увеличением вязкости пара, что вызывает снижение коэффициента расхода, под которым понимается от-ошение действительного расхода пара к теоретическому, определенному ,по формулам адиабатического истечения. В машинах с переменным числом оборотов относительная величина потери на утечку уменьшается с увеличением числа оборотов, так как абсолютное значение потери почти не зависит от числа оборотов, а общий расход пара (при данной степени наполнения) возрастает с увеличением этого числа. Надежное определение утечки расчетом конечно, невозможно, так как неизвестны размеры щелей, которые стремятся сделать минимальными. Утечка пара через органы парораспределения зависит главным образом от конструкции и степени изношенности последних. Наибольшая утечка имеет место при плоских золотниковых распределениях, наименьшая — при цилиндрических (поршневых) золотниках. Наибольшему износу при этом подвергаются также плоские золотники. Частый осмотр распределительных органов, шабровка или притирка их (клапаны должны притираться в горячем состоянии) значительно уменьшают утечку пара.    J Утечка пара в цилиндре зависит главным образом от диаметра последнего и происходит отчасти через замок поршневых колец, отчасти из-за неплотного прилегания колец к цилиндру на части длины окружности. При движении поршня направление и величина утечки меняются с изменением давлений по обе стороны поршня.    ^ Износ стенок цилиндра, происходящий обычно неравномерно и сопровождающийся овализацией последнего, конечно, значительно повышает утечку пара. Вследствие этого приходится периодически растачивать цилиндр и менять при этом поршень. Толщина стенки цилиндра должна быть рассчитана на возможность нескольких расточек. В машинах многократного расширения потери на утечки, как правило, меньше, чем в одноцилиндровых машинах. Это объясняется меньшей разностью между давлениями в каждом из цилиндров, а также тем, что в цилиндре низкого давления используется пар, поступающий из цилиндра высокого давления. Акад. С. П. Сыромятников [Л. 10] считает возможным довести величину потери на утечку
Если пар просачивается в цилиндр после момента отсечки, что обнаруживается пологим характером кривой расширения на индикаторной диаграмме, то перетекший пар производит все же некоторую работу, хотя и меньше той, которую он мог бы совершить при нормальном впуоке в машину. При неплотности выпускного органа парораспределения кривая расширения идет круче, чем на нормальной диаграмме, и полезная работа впущенного в цилиндр пара снижается. При неплотности поршня наибольшая потеря происходит на той части хода поршня, когда в одной полости совершается впуск, а из другой в это время происходит выпуск пара. Количество протекающего через щель пара зависит: 1) от формы и размеров щели, 2) давлений пара по обе стороны щели, 3) состояния пара.    7 Утечка тем меньше, чем меньше высота щели и чем больше длина ее (в направлении потока пара). Поэтому, например, большие перекрытия каналов золотником благоприятно влияют на утечку. Широкое поршневое кольцо обусловливает меньшую утечку, чем узкое; однако на данной ширине поршня выгоднее разместить большее число узких колец чем несколько широких, так как ряд колец образует лаоиринтовое уплотнение, пропускающее тем меньшее количество пара, чем больше число колец, а следовательно, и лабиринтовых камер между ними. Вообще, большого значения длине щели придавать не следует, так как количественное ее влияние на утечку невелико. Утечка пара возрастает с повышением начального давления и с понижением конечного давления пара; влияние последнего имеет место, однако, лишь до достижения критической скорости, после чего дальнейшее снижение давления не оказывает влияния на утеч{ку Распространенное мнение о большей текучести перегретого пара по сравнению с насыщенным неправильно. При данных размерах Щели и давлениях пара количество протекающего пара уменьшается с повышением его температуры. Объясняется это, во-первых, увели в паровозных машинах однократного расширения до 8—4% от общего расхода пара, хотя в условиях зкоплоатации эти потери достигают 15%, а при малых числах оборотов — еще большей величины. 2-4. ПАДЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ПАРА ПРИ ВПУСКЕ Фиг. 2-10. Дросселирование пара при впуске.
^ Давление пара при впуске (начальная точка индикаторной диаграммы) всегда ниже давления перед машиной. Объясняется это тем что на своем пути пар должен преодолевать ряд сопротивлений, а также тем, что в процессе впуска часть потенциальной энергии преобразуется в кинетическую. При входе в машину происходит падение давления пара в стопорном клапане, дроссельном клапане (если таковой имеется, как на фиг. 1-2) и парораспределительном органе (золотнике, клапане). В любом поперечном сечении впускных каналов скорость пара меняется от нуля в момент начала впуска до некоторого максимума в связи с возрастанием скорости поршня по выходе его из мертвого положения. В момент отсечки скорость пара вновь падает до нуля. Поэтому давление в камере впуска (например в золотниковой коробке 5 на фиг. 1-2) непрерывно меняется: оно постепенно падает за время впуска и достигает максимума в то время, когда цилиндр разобщен от впускной камеры, иднако это максимальное давление все же не- ‘ сколько ниже давления перед машиной р/, так как, несмотря на прерывистое поступление пара в цилиндр, скорость пара в стопорном и дроссельном клапанах практически не спускается до нуля и вызывает даже в начальной точке индикаторной диаграммы перепад давления 0,25 1,00 кг/см2, а иногда и больше. В соответствии со сказанным начальная'1 точка а индикаторной диаграммы (фиг. 2-9) лежит ниже точки аи характеризующей давление пара перед машиной. Линия впуска ab является наклонной, так как перепад давления возрастает с увеличением скорости поршня.
На фиг. 2-10 показаны в функции времени опытные кривые изменения давления во впускной камере и в цилиндре (в период впуска и в начале^ расширения), а также аналитически найденной скорости пара в пароподводящем канале цилиндра. На той же фигуре показана кривая изменения проходного сечения для пара по мере открытия и закрытия клапана. При достижении скорости w = 200 м/сек давление в цилиндре начинает быстро падать, давление-в камере впуска поднимается. Отсечка происходит в точке Ь. адает, в период расширения она понижается J,0JIbK'r’ 4X0 оказывается ниже температуры теппяК- Тогда начинается обратный переход отяяия.рд^Т стенок к паРУ> причем количество получ^ннпг° стенками тепла равно количеству тери на ичл ИМИ ранее тепла за вычетом по- Таким образом, скругленный переход линии впуска в линию расширения объясняется особенно значительным торможением пара в конце впуска, когда для прохода пара остается лишь узкая щель. Обычно для средней скорости пара (как в 'фуоапроеоде, так и в каналах) допускаются цифры, более низкие, чем указанная. В трубопроводах допускается скорость ш не свыше м/сек (чаще всего 30—40 м/сек)', соответственные значения для каналов приведены в третьем разделе. При дросселировании пара теплосодержание его остается без изменения, поэтому пар высушивается или перегревается. Однако ра-ботоспосооность пара при этом, как известно, уменьшается, что и обусловливает снижение мощности машины. Следует отметить, что наполнение машины измеряется отрезком V (фиг. 2-9), и было бы ЬН0 установить распределение на мо-‘    В Т°ЧКе d’ получающейся пере сечением горизонтальной линии впуска с ли-ниеи расширения. Величина V' является теоретическим наполнением машины, из которого иногда исходят при построении диаграммы. если бы не было падения давления при впуске, то отсечка произошла бы в точке с и площадь диаграммы увеличилась бы. Однако собл^^т7п^ВаННаЯ площадка не представляет собой прямого выигрыша, так как она получилась в результате увеличения количества пара (вес пара в точке с больше, чем в точке Ь).
«ессе в процессе его выпуска, г. е. вовсе не совео шает работы, часть — подводится к пару в пе риод сжатия, увеличивая этим работу сжатия Поэтому в результате теплообмена ш, стенками цилиндра возникает потеря тепла особенно наглядная в машинах, работа™ сиру"тсяТГв':»еПаре’ ГДе —‘ -Ра кояХ ируется и в виде водяных капель уносится из машины, не совершив механической работы Эта потеря, исследованная вначале именно для машин, работающих на насыщенном паре пара ИЛа название начальной конденсации Для машин, работающих на перегретом "аре, термин этот неудачен; поэтомуТы Тазы л^йиРаССМаТр"Ваему|° лотеРю "окре» от теплообмена пара со стенками цилиндра гаи рЁ^н"п™р„ей    «шЖм^”: образуя п^УСКе ПЭра На сгенках цилиндра тепла_от Э’ Т° ПРИ кратном переходе полностью    К паРУ-Р°са частично или м^ Гтопич™ РЯеТСЯ' ° ЯВЛеНИе’ называ€-мое вторичным испарением, не может конечно 2-5. ПОТЕРЯ ОТ ТЕПЛООБМЕНА ПАРА ™CJLHKAMH ЦИЛИНДРА (НАЧАЛЬНАЯ КОНДЕНСАЦИЯ ПАРА И ОТДАЧА ТЕПЛА В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ Температура внутренней поверхности стенок парового цилиндра зависит в первую очередь от температуры пара, соприкасающегося со стенками. За период выпуска стенки охлаж-' ются, к началу впуска температура стенок ПОВ™ается благодаря сжатию пара, плг° гт обычно ниже температуры свежего р • оэтому пар, вступая в цилиндр и придя стен^РИКОСНОВ'8НИе С относительно холодными ~И^ °ТДаеТ ИМ ЧЗСТЬ своей оплоты; на-щенныи пар при этом частично конденсируется и осаждается на стенках в виде р«ы“. 1аким образом, в период впуска пара стен-нагРеваются, а температура пара несколько Mam!ri??4b ««^конечно, об установившейся работе машины’ваХод.°° ЯВЛениях’ происходящих при пуске
коМпенсироватЬ потерю от’ начальной Хден-’ ации, к тому же, на испарение тратится значительное количество тепла, которое ота- ихиим.Г' нилиндра и обусловливает значительное охлаждение. сущ^веннл?^ тешюобмена представляет собой э?ото    ,потеРю в машине, и к изучению мГ^ьГьГобраСзЛоТТ МНеСТИСЬ СаМЫМ ВНЙ- ™ 117еПЛООбмеНе пРинимают участие: 1) стенки каналов, подводящих и отводящих пар- порZTZ гЦИЛИНДРа^ 3). тордевью стенки линяпя ’ н ГНКИ ра ей поверхности ци- в ка^япя?3    теплообмен происходит скается h r63 кот°Рые попеременно впу- CKOpocThin В™ускается нар, в связи с большой скоростью пара в этих каналах. ГТ1 ^едует °™€тить, что более или менее су- толькоНня°епиЗМеН€Н^е теМ1П'еРатУРы происходит олько на внутренней поверхности стенок Как показано „а фиг. 2-11, на внутренней пове-рх ности стенок температура их колеблется между' точками k и /; по мере углубления в стенку амплитуда колебаний температуры падает; начиная от точки пг, на толщине стенки b температура каждого из слоев стенки не меняется, понижаясь постепенно к наружной стороне стенки (точке п). На фиг. 2-12 показано, как фактически изменялась температура на внутренней поверхности стенки и в самой стенке на расстояниях 1 и 2 мм от внутренней поверхности. При разности температур свежего и отработавшего пара, равной 108° С, на внутренней поверхности стенки наблюдалось колебание температуры до 70° С, а на глубине х — 2 мм — лишь до 32° С. Опыты относятся к машине, работавшей на насыщенном паре при 26,9 об/мин. С повышением числа оборотов амплитуда колебаний температуры снижается. Так, результаты других опытов показали, что при падении температуры пара на 55° С колебания температуры стенки на глубине 1 мм составляли при 46 об/мин 3,3° С, а при 73,4 об/мин— 2,2° С. *
= 2мм ---^7Л Угол поворота кривошипа, градусы Фиг. 2-12. Изменение температуры стенки цилиндра. Таким образом, установлено, что колебание температуры стенки значительно ниже разности температур пара, и поэтому в первом приближении (в особенности в быстроходных машинах) можно считать среднюю температуру стенки постоянной. Следует отметить, что не вся масса пара участвует в теплообмене, а лишь слой, прилегающий к стенке. Опыты показывают, что в период отдачи тепла стенками (после испарения осевшего на них конденсата) этот слой пара перегревается, затрудняя переход тепла (коэффициент теплопередачи от сухих стенок, как известно, значительно ниже, чем от смоченных). Поэтому средняя температура стенок обычно выше средней температуры пара. На фиг. 2-13 показаны изменение температуры насыщенного пара в цилиндре в течение оборота вала, а также средние температуры пара и стенки. Передача тепла от пара к стенкам происходит на пути ab. Заштрихованная площадка называется полем начальной конденсации.    ' Пренебрегая количеством тепла, которое возвращается стенками пару, В. И. Гриневецкий [Л. 11] считает потерю от теплообмена равной количеству тепла, отнятому от пара при впуске и начале расширения. Это количество тепла Q = $ kF(1n — tcm) dr, где k — коэффициент теплоотдачи от пара к стенкам; F—поверхность стенок, с которыми соприкасается пар; tn—температура пара; tcm — температура стенок; х — время, в течение которого происходит отдача тепла стенкам. Все величины под знаком интеграла являются переменными, но для упрощения можно %БЗ=
Средняя температура стенки Средняя температура / _ 180 Угол поворота кривошипа, градусы ~    -(002сек- Фиг. 2-13. Изменение температуры пара в цилиндре и поле начальной конденсации. принять k постоянным, а под F — понимать среднюю величину поверхности стенок за время отдачи тепла паром. Тогда Q — kF J (tn tcm) di, где J (tn — tcm) dx измеряется заштрихованной площадкой на фиг. 2-13. Математическая теория обмена тепла в цилиндре паровой машины разработана А. А. Рад-цигом. Однако приложение ее к практическим расчетам затрудняется из-за отсутствия надежных данных о коэффициенте теплоотдачи от пара к стенке и обратно. Величина этого коэффициента существенно различна для следующих случаев: 1)    когда температура стенки ниже температуры насыщения пара (независимо от того, является ли пар перегретым или насыщенным), причем конденсат осаждается на стенке в виде сплошной пленки («пленочная» конденсация) ; 2)    когда температура стенки ниже температуры насыщения пара, но конденсат осаждается в виде отдельных капель («капельная» конденсация); 3)    когда пар перегрет, а температура стенки выше температуры насыщения пара, так что конденсации пара вовсе не происходит. В первом случае величина коэффициента теплоотдачи зависит от физических констант пара и от разности &t температуры насыщения пара и температуры стенки. С увеличением этой разности коэффициент теплоотдачи уменьшается. Обычно величина его составляет несколько тысяч ккал/м2 час град. Коэффициент теплоотдачи от перегретого пара к стенке почти такой же, как от насыщенного пара, если температура стенки ниже температуры насыщения, и разность в обоих случаях одинакова. При капельной конденсации коэффициент теплоотдачи' от пара к стенке в 10—20 раз больше, чем при пленочной конденсации. При наличии масла в паре возникновение капельной конденсации на обработанных поверхностях цилиндра более чем вероятно. Однако установить, какая форма конденсации превалирует в цилиндре паровой машины, пока не удалось. Для перегретого неконденсирующегося пара коэффициент теплоотдачи, определяемый по формулам теплообмена газа со стенками, составляет обычно несколько десятков ккал/м2 час град, т. е. он во много раз меньше, чем при насыщенном паре.    ■ Аналитически определить количество тепла, передаваемого стенкам, едва ли возможно, гак как трудно установить точную картину теплоотдачи на различных поверхностях цилиндра и поршня. Величина потери от теплообмена более всего зависит: 1)    от состояния пара в цилиндре, влияющего на коэффициент теплоотдачи; 2)    от разности температур пара и' стенок (последняя сравнительно в небольшой степени зависит от давления выпуска: чем выше средняя температура стенок по сравнению со средней температурой пара, тем меньше потеря от теплообмена); 3)    от времени, в течение которого происходит отдача тепла стенкам, т. е. от величины средней скорости поршня (в быстроходных машинах потеря меньше, чем в тихоходных); 4)    от величины «вредных поверхностей»^ т. е. поверхностей, ограничивающих вредное пространство цилиндра; следует сокращать до минимума размеры пароподводящих и выпускных каналов (например, применять расположение клапанов в крышках), избегать фигурного очертания внутренней поверхности крышек, уменьшать расстояние между кромкой поршня и первым поршневым кольцом и т. п.; 5)    от степени наполнения, с увеличением которого возрастает средняя температура стенок. Что касается отдачи тепла стенками цилиндра излучением в окружающую среду, то с этой потерей успешно борются тем, что обшивают цилиндр материалами с малым коэффициентом теплопроводности. К таким материалам, например, относятся асбест, войлок, инфузорная земля (кизельгур) и др. Плохо’проводят тепло также воздушные прослойки. Обычно цилиндр обмазывают асбестовой массой, обертывают войлоком и на некотором расстоянии от последнего обшивают глянцевой оксидированной сталью. При высоких температурах в качестве изоляционного материала применяют иногда ньювел (85% магнезии и 15% асбеста). 2-6. МЕРЫ БОРЬБЫ С ПОТЕРЕЙ ОТ ТЕПЛООБМЕНА Для борьбы с потерей от теплообмена существует ряд мероприятий. Рассмотрим основные из них. Паровая рубашка. Для поддержания постоянно высокой температуры стенок цилиндра последний окружают паровой рубашкой, 200
С паровой рибашной ^\без рубашки ***» _ X*.    -Л# Ход поршня Фиг. 2-15. Изменение температуры пара и стенки по длине цилиндра.
ЮОЪ
-э»-
о обстоятельство, что потеря тепла обогревающего пара в рубашке меньше выигрыша от понижения начальной конденсации, объясняется низким коэффициентом теплоотдачи от стенок к пару в период выпуска, когда, отдаваемое рубашкой рабочему пару тепло теряется бесполезно. Низкий коэффициент теплоотдачи обусловливается наличием в рассматриваемый период слоя перегретого пара у стенок. еНН° ВЬГГОДен обогРев рубашки не па ром, а отработавшими газами (например В локомобилях). Здесь ори значительном уменьшении, начальной конденсации нет никакой затраты тепла на обогрев стенок. К сожалению, обогрев рубашки горячими газами даже в локомобильных машинах встречает серьезные конструктивные и эксплоатационные затрда ния и в настоящее время почти не приме-нястся.    • в современных быстроходных машинах и машинах многократного расширения, в которых начальная конденсация уменьшается по причинам, указываемым ниже, выигрыш от применения паровой рубашки незначителен, ь машинах, работающих перегретым паром в которых потеря от теплообмена сведена до минимума, применение паровой рубашки совершенно нецелесообразно. „Поэтому современные паровые машины выполняются обычно без рубашек. Увеличение числа оборотов. Чем nrnzuf ВреМЯ’ В течение которого происходит тепла от пара к стенкам, тем больше ремя, предоставляемое для обратного теплового потока, и тем на большую толщину стенки распространяется изменение температуры Опытами установлено, что толщина эта обратно пропорциональна корню квадратному из
т. е. кольцевой полостью, в которую впускают свежий пар. Для этого к рубашке проводят специальное ответвление от главного паропровода или пропускают через нее весь пар до поступления его в машину. При интенсивном обогреве можно добиться того, что поле начальной конденсации сводится к минимуму или даже к нулю. Наглядно это иллюстрирует фиг. 2-14, где показаны кривые температур на внутренней поверхности стенок при работе без паровой рубашки, с рубашкой о ычного типа и с обогревом паром повышенного давления. Еще более наглядна фиг. 2-15 где кривые изменения температур стенок сов- «НЫ С КРИВ?Й температур насыщенного р , построенной в форме индикаторной диаграммы. При работе без рубашки вторичное испарение начинается лишь в конце расширения, при наличии же обогрева—еще в период ■ впуска.    г При надлежащем прогреве стенок кривая расширения приближается к адиабате; начальная конденсация пара почти исчезает. Так как во время расширения пара температура обо-греваемьк стенок всегда выше температуры пара, слои последнего, прилегающий к стенкам, перегревается. Это обстоятельство еще оолее ухудшает теплообмен между паром и ^™пми’ способствуя сохранению высокой температуры стенок. Хотя на обогрев стенок цилиндра расходуется в паровой рубашке известное количе-во тепла, однако в большинстве случаев оно Г™ТОГО ВЬШгрыша’ который получается и понижения начальной конденсата !LCTapbIX ТИХОХОДНЬГХ машинах, работающих насыщенным паром, сбережение тепла от применения паровой рубашки составляло 4— п’отдельных случаях доходило до 20%. ЛПЙ°^бе-° выг°ден обогрев крышек цилии-кото,рых начальная конденсация чрезвычайно интенсивна.
Обогрев паром повышенного давления \Спа£овой рубашкой обычного типа 0    so    JS0 Угол поворота кривошипа . градусы Фиг. 2-14. Изменение температуры пара и стенок.
числа оборотов. Если при п оборотах в минуту изменение температуры распространяется на глубину х, то при П{ оборотах соответствующая глубина Хг = х */”. Так как этой глубиной измеряется масса металла, принимающая участие в теплообмене, то увеличение х означает увеличение количества тепла, получаемого стенками от пара. Следовательно, с .повышением числа оборотов потеря от теплообмена уменьшается. Однако следует иметь в виду, что с повышением скорости движения поршня увеличивается потеря на торможение пара или при достаточных размерах каналов для прохода пара возрастает величина вредного пространства и связанные с ним потери. Четыре пути для пара. В машинах с золотниковым распределением пар входит в цилиндр и выходит из него по одному и тому же каналу, обычно довольно длинному. В этом канале, к тому же необработанном, происходит особенно значительная отдача тепла. Несколько более удовлетворительные результаты дает конструкция с двумя путями для пара в каждой полости (четыре пути в цилиндре), применяемая в клапанных и крановых распределениях. В этом случае для впуска и выпуска пара имеются отдельные каналы, причем канал для впуска меньше охлаждается за период выпуска, чем в золотниковых машинах. Потеря от теплообмена, однако, здесь меньше в том лишь случае, когда вредные поверхности не больше, чем в золотниковой машине, а этим обстоятельством конструкторы часто пренебрегают. Значительная степень наполнения. С увеличением степени наполнения возрастает средняя температура стенок, так как при этом, во-первых, увеличивается время их соприкосновения со свежим паром, а, во-вторых, уменьшается влажность пара в конце расширения (с уменьшением степени расширения снижается влажность отработавшего пара, что ухудшает отдачу тепла от стенок пару, и таким образом, способствует повышению температуры стенок). С другой стороны, с увеличением степени наполнения уменьшается необходимый объем цилиндра, а следовательно, и его вредные поверхности, что, как известно, снижает потери от теплообмена. Выбор соответствующей степени наполнения диктуется и другими соображениями, о ко- 3 г. С. Жирццкий. торых будет сказано ниже. Во всяком случае, можно утверждать, что слишком малые степени наполнения, в особенности для машин, работающих на насыщенном паре, нецелесообразны. Многократное расширение пар а. Машины с многократным расширением пара имеют меньшие потери' от теплообмена по сравнению с машинами одноцилиндровыми. Объясняется это следующим: а)    вредные поверхности ц. в. д. меньше, чем в одноцилиндровой машине равной мощности, примерно в таком же отношении, как объемы цилиндров; б)    степень наполнения ц. в. д. больше степени наполнения одноцилиндровой машины в таком же отношении; значительную степень наполнения имеет ц. н. д.; в)    средние температуры стенок в обоих цилиндрах достаточно высоки и приближаются к температурам впускаемого пара; г)    в ц. в. д. тепло, отданное пару стенками, может быть частично использовано для совершения работы в следующих цилиндрах. " Перегрев пара. Применение перегретого пара — наиболее действительное средство борьбы с потерей от теплообмена. Теоретические выгоды перегретого пара были освещены в §2-1. Для употребительных давлений пара и для высокого перегрева (350° С) теоретический выигрыш в расходе пара составляет 6—10%. При работе на атмосферу выигрыш получается более значительным. В действительности, выгоды от перегрева пара получаются большими, так как не только увеличивается к. п. д. идеального процесса, но уменьшаются потери, связанные с осуществлением этого процесса. ■ В предыдущем параграфе было указано, что коэффициент теплоотдачи от пара1 к стенкам, температура которых выше температуры насыщения пара, весьма низок (он во много раз меньше, чем в том случае, когда на стенках пар конденсируется). Поэтому, если пар (даже у стенок) остается перегретым в течение всего периода расширения, то потеря от теплообмена сводится к минимуму. Для этого пар приходится перегревать до температуры 300—350° С (и выше), и в результате получается весьма значительная экономйя в расходе тепла машиной. Могут быть также рекомендованы незначительные степени перегрева пара (если по каким-либо причинам высокий перегрев нежелателен). При этом повышается средняя темпе- ратура стенок, и поле начальной конденсации всегда получается меньшим, чем при насыщенном паре. Обычно принято считать, что при перегреве на каждые 50° С получается сбережение тепла:
В одноцилиндровых машинах, работающих на атмосферу •........ g->/u в одноцилиндровых машинах, работающих на конденсацию.......... 7о/0 в машинах двойного расширения, работающих на конденсацию...... 6,5% в машинах тройного расширения, рабо- ’ тающих на конденсацию...... 6% Считается также, что в хороших машинах двойного и тройного расширения при температуре пара 300—360° С расход пара на 1 л. с. ч. уменьшается на 10—11 г с каждым градусом температуры перегрева. В одноцилиндровых машинах и машинах компаунд, работающих на атмосферу, расход пара на 1 л. с. ч. соответственно уменьшается с каждым градусом температуры перегрева на 20 г. хода поршня. В правом мертвом положения левая кромка поршня соприкасается .с правой кромкой окон. При обратном движении поршня открытие окон уменьшается; при том же самом положении поршня, при котором начался выпуск, начинается сжатие пара. Выпуск пара длится, таким образом, на протяжении 20 — % х°Да поршня, из которых 10-- 12% относятся к опережению выпуска. На индикаторных диаграммах обеих полостей цилиндра приведенных на той же фиг. 2-16, точки опережения выпуска и начала сжатия лежат на одних вертикалях с кромками окон. Сжатие пара продолжается в течение 88 — 90% хода поршня, и конечное давление сжатия достигает значительной величины. Длина поршня должна равняться ходу поршня минус длина окон, т. е. должна составлять 0,88 0,90 хода поршня. В связи со значительной длиной поршня получается длинным и паровой цилиндр: он почти вдвое длиннее цилиндра обычной машины той же мощности и того же диаметра. Благодаря отсутствию выпускного клапана и удачному расположению впускного клапана в крышке цилиндра удается достигнуть весьма малых величин вредного пространства (до 1,5% рабочего объема).    v . Расход пара в прямоточных машинах меньше, чем в одноцилиндровых машинах обычной конструкции; он почти равен расходу в хороших машинах-компаунд. По мнен«ю( некоторых авторов, слой пара, находящийся во время расширения у крышки и подвергающийся со стороны ее энергичному обогреву, во время выпуска остается в цилиндре /подвергается затем сжатию. В конце сжатия этот пар оказывается перегретым, а температура крышки и стенок цилиндра — столь
В машинах многократного расширения применение перегретого пара не дает, конечно, того же эффекта, что в одноцилиндровых машинах, вследствие того что потеря от теплообмена в первых машинах понижена самим принципом многократного расширения. Тем не менее раоота перегретым паром в этих машинах представляется вполне целесообразной, и правильно сконструированная машина компаунд, работающая перегретым паром, является наиболее совершенным типом современных машин большой мощности. Принцип прямоточности. В §1-2 ыло уже дано краткое определение прямоточной машины. Остановимся на ней несколько подробнее. Это необходимо еще потому, что некоторые иностранные фирмы и авторы, находящиеся от них в зависимости, указывают в целях рекламы, что главным преимуществом прямоточной машины является отсутствие в ней потери от теплообмена даже пои работе «асыщенным паром.    1 Схема прямоточной машины приведена на фиг. 2-16. Пар поступает в машину снизу, обогревая по пути к впускному клапану внутреннюю поверхность крышки цилиндра. Степень наполнения в прямоточных машинах обычно невелика: 8 -н10%. Расширение пара продол -ается до прихода поршня в положение, когда его левая кромка соприкасается с левой кромкой окон, расположенных по середине цилиндР • ipn дальнейшем движении поршня начинается выпуск пара через эти окна. Длина окон по оси цилиндра составляет обычно Ю-ь 12% высокой, что отдача тепла от пара соврешенно не может иметь места. Температура стенок, таким образом, падает постепенно от крышки к середине цилиндра, возле которой стенки имеют постоянно температуру” близкую к температуре отработавшего пара. Измерения температуры пара и стенок в крышке и цилиндре прямоточной машины отчасти подтверждают эти предположения. При работе насыщенным паром давлением 10 ата температура пара возле крышки в конце сжатия достигала 500° С. Однако те же опыты установили, что во время выпуска температура пара возле крышки снижалась до 100° С, что опровергает теорию постоянного (слоями) выпуска пара. Очевидно, высокая температура конца сжатия обусловливается обогревом крышки и значительной степенью сжатия, а не принципом прямоточности как таковым. Применение обогрева крышки в прямоточных машинах особенно целесообразно ввиду того, что выпуск производится не возле крышки, а посередине цилиндра и, следовательно, с минимальным уносом тепла обогрева наружу. Однако вследствие большого сечения окон выпуск совершается весьма энергично *, что вызывает понижение температуры пара во всем цилиндре, вплоть до крышки. Вследствие интенсивного обогрева’ последней, малого вредного пространства, высокого сжатия температура пара в конце сжатия достигает значительной высоты. Можно предполагать, однако, что поршень благодаря его значительному объему и энергичному охлаждению за- время выпуска к началу впуска прогревается недостаточно, и передача тепла на его поверхности происходит. То обстоятельство, что стенки цилиндра нагреваются во время сжатия и не отнимают в дальнейшем тепла от пара, все же должно рассматриваться как потеря: с точки зрения полного расхода пара безразлично, откуда заимствуется тепло для нагрева стенок — от свежего или от сжатого пара, на повышение температуры которого затрачивается механическая работа. Принцип прямоточности поэтому является средством борьбы с потерей от теплообмена лишь в такой же мере, как четыре пути для пара. Если же в прямоточной машине эта потеря действительно незначительна, то этим она4 обязана, главным образом, обогреву крышки и малым вредным поверхностям. Высказанные положения подтверждаются еще следующими обстоятельствами: 1.    Для прямоточной машины вполне благоприятно применение перегретого пара, и притом в большей степени, чем это следовало бы по теоретическому процессу. • 2.    При работе насыщенным и слабо перегретым паром приносит пользу паровая рубашка, длина которой (по оси цилиндра) должна быть тем большей, чем меньше перегрев пара. При высоко перегретом паре потеря от теплообмена сводится к минимуму, и паровая рубашка оказывается бесполезной. 2-7. ВРЕДНОЕ ПРОСТРАНСТВО И СЖАТИЕ ПАРА Если машина работает с полным расширением и полным (до начального давления) сжатием пара, то величина вредного пространства не влияет на экономичность машины (если Фиг. 2-17. Диаграмма машины с полным сжатием и полным расширением пара. пренебречь влиянием вредных поверхностей). Это ясно из фиг. 2-17, на которой abdf представляет диаграмму такой машины с произвольным объемом V0 вредного пространства. Площадь этой диаграммы, независимо от величины вредного пространства, равна площади abd-Ji диаграммы цикла Ренкина, так как площади affx и bddx равны друг другу. Равенство этих площадей вытекает из следующего. Если в цикле Ренкина работает G кг пара] объем которого при давлении рх измеряется отрезком V, то в цикле с полным сжатием в цилиндре остается в конце выпуска (точка f) G0 кг пара, занимающего объем ^о-!- ® сжимаемого по линии fa. В расширении участвуют, поэтому, G-\-Gq кг пара, вследствие чего’ кривая bd лежит правее кривой bdx (первая относится к началу координат в точке О вторая — в точке Ох). Любые горизонтальные отрезки х и хх площадей а//х и bddx при одном и том же давлении рх равны друг другу, так как каждый из них, сложенный с отрезком ООъ представляет собой объем G0 кг пара. Отсюда следует, что площади affx и bddx равны друг другу. В реальных машинах, независимо от неа-диабатичности процессов, применяются неполное сжатие и неполное расширение. В этих условиях, как мы сейчас покажем, вредное пространство обусловливает потерю, возрастающую с увеличением его объема. Рассмотрим сначала процесс в машине с полным расширением пара. Диаграмма abefc (фиг. 2-18) относится к машине с полным сжатием пара и произвольным вредным пространством VQ, не влияющим на величину площади диаграммы. ным пространством VQ, но • без сжатия пара. При полном сжатии оставшегося в точке /0 пара можно было бы (при уменьшении вредного пространства до V'Q) увеличить площадь диаграммы до величины a:bedf0; таким образом, в машине с диаграммой abedf'0 площадь <z}a/0 представляет собой потерю от вредного пространства (или от неполного сжатия). Отметим, что потеря от неполноты расширения измеряется при этом площадью dek. Положим теперь, что при вредном пространстве V0 машина работает с полным сжатием; она может развивать ту же работу, что и в исходном случае, если ее диаграмма изображается фигурой abxexdfx, равновеликой abedf0. В этой машине нет потери от вредного пространства, но зато потеря от неполноты расширения существенно возросла (площадь de^g). Допустим, что вредное пространство увеличено до V0', причем V0'-f V'h=VQ-\-Vh. Тогда начальная точка диаграммы переходит в аг, а сжатие заканчивается в точке с. Так как оставшийся в конце сжатия во воедном пространстве пар занимает при давлении рх объем V^.to количество впущенного в цилиндр пара попрежне-му измеряется отрезком ab, а площадь диаграммы уменьшается на величину аагс, которую можно назвать или потерей от непол-
р А
aat b
iH Фиг. 2-18. Потеря от неполного сжатия в машине с полным расширением пара.
Наконец, в случае неполного сжатия (диаграмма ab2e2dfc, площадь которой также равна площади abedfо) кризая расширения Ь2е2 располагается между линиями be и Ьхел. По сравнению с предыдущим случаем работа машины характеризуется большей потерей от вредного пространства sac, но меньшей потерей от неполноты расширения de2k. ного сжатия, или потерей от странства.
<<< Предыдущая страница  1     Следующая страница >>>


1 A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z 
А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я