5 typów głównych maszyn parowych

Inne rodzaje silników parowych przeszły wiele zmian w historii i ciągle technologia pozwoliła im ewoluować w niezwykły sposób.

Zasadniczo są to silniki spalania zewnętrznego, które zamieniają energię cieplną pary wodnej w energię mechaniczną.

Zostały one wykorzystane do napędzania pomp, lokomotyw, statków i ciągników, będąc w tym czasie niezbędnymi dla rewolucji przemysłowej. Obecnie są one wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej za pomocą turbin parowych.

Silnik parowy składa się z kotła, który służy do gotowania wody i wytwarzania pary. Para rozpręża się i wypycha tłok lub turbinę, której ruch polega na obracaniu kół lub napędzaniu innych maszyn.

Pierwszy silnik parowy został opracowany przez Herona z Aleksandrii w pierwszym wieku i nazywany był eolipilem.

Składał się z wydrążonej kuli połączonej z kotłem, do którego przymocowano dwie zakrzywione rury. Kula była wypełniona wrzącą wodą, powodując wyrzucanie pary z rur z dużą prędkością, obracając piłkę.

Chociaż eolipile nie miała praktycznego zastosowania, niewątpliwie stanowi ona pierwszą implementację pary jako źródła napędu.

Jednak większość systemów wykorzystujących parę można podzielić na dwa typy: maszyny tłokowe i turbiny parowe. 

Główne typy silników parowych

1- Maszyny nurnikowe

Maszyny tłokowe wykorzystują parę pod ciśnieniem. Dzięki tłokom dwustronnego działania para pod ciśnieniem wchodzi naprzemiennie z każdej strony, podczas gdy z drugiej jest uwalniana lub wysyłana do skraplacza.

Energia jest pochłaniana przez uszczelniony suwak przeciw ucieczce pary. Ten pręt z kolei napędza korbowód połączony z korbą, aby przekształcić ruch posuwisto-zwrotny w ruch obrotowy..

Dodatkowo, inna korba jest używana do napędzania przekładni zaworowej, zwykle przez mechanizm, który pozwala na odwrócenie ruchu obrotowego.

Gdy używana jest para tłoków dwustronnego działania, przesunięcie korby jest przesunięte o 90 stopni. Zapewnia to, że silnik zawsze będzie działał, niezależnie od pozycji korby.

2- Wielokrotne silniki rozprężne

Inny typ silnika parowego wykorzystuje kilka cylindrów jednostronnego działania, które stopniowo zwiększają jego średnicę i ruch.

Para wysokociśnieniowa z kotła służy do napędzania pierwszego tłoka o mniejszej średnicy w dół.

W ruchu do góry, częściowo rozprężona para wodna jest napędzana do drugiego cylindra, który rozpoczyna swój ruch w dół.

Powoduje to dodatkowe rozszerzenie stosunkowo wysokiego ciśnienia uwalnianego w pierwszej komorze.

Również komora pośrednia odprowadza się do ostatniej komory, która z kolei jest uwalniana do skraplacza. Modyfikacja tego typu silnika obejmuje dwa mniejsze tłoki w ostatniej komorze.

Rozwój tego typu silnika był ważny dla jego zastosowania w statkach parowych, ponieważ skraplacz, odzyskując trochę mocy, przekształcił parę z powrotem w wodę w celu ponownego wykorzystania w kotle.

Ziemne silniki parowe mogą zużywać dużo pary i być wypełnione wieżą ze słodką wodą, ale na morzu nie było to możliwe.

Przed i podczas II wojny światowej silnik ekspansyjny był używany w pojazdach morskich, które nie musiały poruszać się z dużą prędkością. Jednak gdy wymagana była większa prędkość, została zastąpiona turbiną parową.

3- Jednolity silnik przepływu jednokierunkowego

Innym rodzajem maszyny tłokowej jest silnik jednokierunkowy lub jednolity. Ten typ silnika wykorzystuje parę, która płynie tylko w jednym kierunku w każdej połowie cylindra.

Sprawność cieplna jest uzyskiwana dzięki gradientowi temperatury wzdłuż cylindra. Para zawsze wchodzi przez gorące końce cylindra i wychodzi przez otwory w środku chłodnicy.

Powoduje to zmniejszenie względnego ogrzewania i chłodzenia ścian cylindra.

W silnikach Uniflow wlot pary jest zwykle kontrolowany przez zawory trzpieniowe (które działają podobnie jak te stosowane w silnikach spalinowych) napędzane przez wałek rozrządu.

Zawory wlotowe otwierają się, aby przyjąć parę, gdy minimalna objętość rozprężania zostanie osiągnięta na początku ruchu.

W określonym momencie powrotu korby para wchodzi i wlot korka jest zamykany, umożliwiając ciągłe rozszerzanie się pary, uruchamiając tłok.

Pod koniec ruchu tłok wykryje pierścień otworów wylotowych wokół środka cylindra.

Otwory te są połączone ze skraplaczem, obniżając ciśnienie w komorze powodując szybkie zwolnienie. Ciągły obrót korby porusza tłok.

4- Turbiny parowe

Turbiny parowe o dużej mocy wykorzystują serię obracających się tarcz, które zawierają rodzaj łopatek typu śmigła na ich zewnętrznej krawędzi.

Te ruchome tarcze lub wirniki przeplatają się z nieruchomymi pierścieniami lub stojanami, przymocowanymi do konstrukcji turbiny w celu przekierowania przepływu pary.

Ze względu na dużą prędkość działania, takie turbiny są zwykle połączone z przekładnią redukcyjną, aby napędzać inny mechanizm, taki jak śmigło statku..

Turbiny parowe są bardziej trwałe i wymagają mniej konserwacji niż maszyny tłokowe. Wytwarzają również łagodniejsze siły obrotowe na wale wyjściowym, co przyczynia się do mniejszych wymagań konserwacyjnych i mniejszego zużycia.

Główne zastosowanie turbin parowych znajduje się w stacjach wytwarzania energii elektrycznej, gdzie ich duża szybkość działania jest zaletą, a ich względna objętość nie jest wadą.

Są one również używane w zastosowaniach morskich, zwiększając duże statki i łodzie podwodne. Praktycznie wszystkie elektrownie jądrowe wytwarzają energię elektryczną poprzez ogrzewanie wody i zasilanie turbin parowych.

5- Silniki napędowe

Istnieje podwodny silnik napędowy, który wykorzystuje parę pod wysokim ciśnieniem, aby pobierać wodę przez gniazdo z przodu i wysuwać ją z dużą prędkością przez plecy.

Gdy para skrapla się w wodzie, powstaje fala uderzeniowa, która usuwa wodę z tyłu.

Aby poprawić sprawność silnika, silnik zasysa powietrze przez otwór wentylacyjny przed strumieniem pary, który tworzy pęcherzyki powietrza i zmienia sposób mieszania się pary z wodą.

Referencje

1. Marshall Brain (2017). „Jak działają silniki parowe”. Pobrane 14 czerwca 2017 r. Na stronie science.howstuffworks.com.
2. Encyklopedia Nowego Świata (2015). „Silnik parowy”. Pobrane 14 czerwca 2017 r. W newworldencyclopedia.org.
3. SOS Children (2008-2009). „Silnik parowy”. Pobrane 14 czerwca 2017 r. W cs.mcgill.ca.
4. Woodford, Chris (2017). „Silniki parowe” Pobrane 14 czerwca 2017 r. W witrynie explaininthatstuff.com.