Паровые двигатели – величайшее достижение техники. На протяжении последних двух столетий их освоение, широкое производство и промышленное использование шли эффективнее, чем за все предшествующее время. Паровой двигатель относится к числу изобретений, которые повлияли на различные стороны жизни общества.

Переворот, произведенный паром

Первые модели парового двигателя применялись на угольных шахтах. До 1712 г. глубокие угольные пласты, будучи затоплены водой, практически не разрабатывались. Томас Ньюкомен (1663-1729) создал паровую машину для откачки воды. Она была достаточно проста и, кроме некоторых частей, могла быть изготовлена на месте, однако расходовала много топлива из-за того, что после каждого хода требовала охлаждения. Поэтому ее использовали только на шахтах, где было достаточно дешевого топлива.
В двигателе, изобретенном Джеймсом Уаттом (1736-1819) в 1769 г., процессы нагревания и охлаждения в рабочем цикле разделялись, что позволило избежать потерь энергии, возникающих в цилиндре, и уменьшить расход топлива. Это дало возможность пользоваться двигателем Уатта даже там, где топлива было мало и оно было дорогим.
Двигатель Уатта стимулировал развитие промышленности, в частности производство чугуна, которое стало усиленно развиваться. Это послужило одной из причин Промышленного переворота в Англии. К середине XIX в. горизонтальные и вертикальные типы паровых двигателей были усовершенствованы и могли использоваться в качестве заводских силовых установок, главным образом на текстильных фабриках.
Широкое применение паровые двигатели нашли также на транспорте. Паровоз, изобретенный Ричардом Тревитиком (1771-1833), привел к созданию железных дорог, что обеспечило более быструю и дешевую перевозку грузов по сравнению с баржами. А появившиеся вскоре пароходы намного сократили время межконтинентальных перевозок и сделали движение судов независимым от ветра и погоды.
Дальнейшим шагом вперед в развитии энергетики было изобретение Чарлзом Парсонсом (1854-1931) паровой турбины (1884). Одно из ее преимуществ перед обычными паровыми двигателями – возможность передачи мощности непосредственно на вращающийся вал вместо передачи ее возвратно-поступательно двигающемуся поршню. Отпадает необходимость в шатунно-кривошипном механизме, который преобразует поступательное движение во вращательное. Не прошло и двух десятилетий, как турбины Парсонса мощностью свыше 70 000 л.с. позволили океанским лайнерам в Атлантике двигаться со скоростью 40 км/ч (25 узлов).

Принципы действия паровых двигателей

Любая паровая машина преобразует энергию пара в полезную работу. Пар образуется при нагревании воды до состояния, когда жидкость превращается в газ. Если этот процесс происходит в закрытом сосуде (котле), то нагревание сопровождается ростом температуры и давления пара. Тепло может быть получено от различных источников: топлива, Солнца, ядерного реактора и др. В обычной паровой машине давление пара создает силу, действующую на поршень; последний соединен системой рычагов, преобразующих его поступательное движение во вращательное движение вала. В турбине пар проходит через сопла и воздействует на лопатки турбины, вызывая вращение ее ротора. Процесс циклический: пар, охлаждаемый в конденсаторе, превращается в воду, которая может снова нагреваться. Если процесс конденсации происходит в замкнутом сосуде, то уменьшение объема конденсата приводит к разрежению, а это может быть использовано для получения работы. Эти принципы были известны почти за сто лет до Томаса Севери (1650-1715), который объединил их в паровой машине для откачки воды из шахт (1698).
В результате конденсации пара в рабочем цикле часть энергии теряется, поэтому паровые двигатели проектируют так, чтобы повысить температуру пара до предельных значений;это уменьшает возможность конденсации пара в рабочем цикле, обеспечивая низкую температуру выпуска. Для получения максимальной работы пара последний подается к двигателю через трубы, проходящие от котла через горячий поток газов (перегреватель). В современных силовых станциях перегретый пар достигает температур порядка 600°С. Можно повысить кпд паровой машины, забирая пар после использования в промежуточной части цикла и снова нагревая его в перегревателе. При этом теплота, выделяемая топливом в топке, повышает энергию пара. Выпуск пара охлаждает стенки цилиндра. Во избежание этого цилиндр заключают в наружную оболочку, наполненную горячим паром (рубашку).

Проблемы уменьшения расхода топлива

Имеются и другие пути повышения экономичности. Воду, идущую к котлу, следует нагреть до температуры, близкой к точке кипения, прежде чем начнется интенсивное парообразование. Существуют различные способы нагрева воды при малом расходе топлива. Можно воспользоваться экономайзером, т.е. рядом трубок, находящихся в среде горячих газов котла. При прохождении через экономайзер вода, подаваемая в котел, нагревается до 93°С. Однако в современных силовых станциях с температурой пара 370°С требуется предварительное нагревание до более высоких температур. Его можно выполнить в несколько стадий. При многоступенчатом нагревании в котел подается вода, нагреваемая паром, забираемым из различных точек системы паровой турбины. Такой способ требует меньших затрат энергии, чем нагрев воды непосредственно рабочим (самым горячим) паром.