Прямоточная паровая машина двойного действия двойного расширения
Паровые машины. Теория и практика.
«Паровые машины.Теория и практика.»1922 год 6 издание.
Содержание:
К написанию заметки подвигло желание дать в руки альтернативщикам простой и понятный инструмент расчета девайса. Заодно и вспомнить основные принципы работы паровых машин.
или википедии. Одноцилиндровые машины достаточно примитивны и хорошо потому описаны. Котел-золотник-цилиндр — атмосфера. Просто и понятно.
Разводить водой не будем — сразу переходим к интересующиму нас вопросу.
Морские паровые машины
Эту схему,применяли гтам, де один цилиндр низкого давления становился слишком большим при литье. Это также удобно для более действенной балансировки двигателя.
Холодильник
Машина одинарного расширения
Применялись при давлении пара 35 фунтов/дюйм2 ( 2,5 атм)
Машины двойного расширения ( компаунд)
применялись при давлении пара 60-100 фунтов/дюйм2 ( 4-7 атм)
(схема на первом рис довольно оригинальна)
Машины тройного расширения
применялись при давлении пара 120-170 фунтов/дюйм2 и больше ( 4-7 атм)
Расчет скорости корабля в зависимости от мощности.( Формулы интересны скорее заклепочникам )
V-скорость в узлах, D-водоизмещение, Н- мощность и.л.с, С-константа ( да.1/3 заменять на 0,33 и 2/3 заменять на 0,66 не рекомендую.Погрешность в полузла вылазит)
ТЕ приведены три константы
Для больших и быстрых (пассажирских)пароходов — 250
Для грузовых пароходов — 235
Для крейсеров и броненосцев- 225
Я лично для малых крейсеров в 2800-3300 т предлагаю — 200
Такто эта константа пишется и обозначается как «коэффициент Адмиралтейства» или «Адмиралтейский коэффициент».И таблицы есть. Но врядли ктото из присутствующих станет конструировать яхту.
( ктото не согласен или хочет внести свои коэффициенты ( миноносцев вот нет пока) — пожалста, только аргуметируйте расчетом- поменяем)
Те вполне можно посчитаь нужную мощность ПМ в табличном редакторе и построить очень красивые графики.
Расчет мощности ПМ ( в дюймовой системе).
Прямоточные паровые машины
Прямоточные паровые машины возникли в результате попытки преодолеть один недостаток, свойственный паровым машинам с традиционным парораспределением. Дело в том, что пар в обычной паровой машине постоянно меняет направление своего движения, поскольку и для впуска и для выпуска пара применяется одно и то же окно с каждой стороны цилиндра. Когда отработанный пар покидает цилиндр, он охлаждает его стенки и парораспределительные каналы. Свежий пар, соответственно, тратит определенную часть энергии на их нагревание, что приводит к падению эффективности. Прямоточные паровые машины имеют дополнительное окно, которое открывается поршнем в конце каждой фазы, и через которое пар покидает цилиндр. Это повышает эффективность машины, поскольку пар движется в одном направлении, и температурный градиент стенок цилиндра остается более или менее постоянным. Прямоточные машины одинарного расширения показывают примерно такую же эффективность, как компаундные машины с обычным парораспределением. Кроме того, они могут работать на более высоких оборотах, и потому до появления паровых турбин часто применялись для привода электрогенераторов, требующих высокой скорости вращения.
Рис. 1.6 Принцип работы прямоточного парового двигателя
Прямоточные паровые машины бывают как одинарного, так и двойного действия.
Паротурбинные установки
Низкий к.п.д. паровых двигателей существенно уменьшал полезную грузоподъемность паровых судов и настоятельно требовал поиска более эффективных методов топливоиспользования. Однако кардинальное повышение эффективности судовых энергетических установок было связано не с совершенствованием паровых двигателей, а с появлением многоступенчатых паровых турбин, позволивших не только поднять к.п.д. СЭУ, но и на порядок уменьшить массогабаритные характеристики судового двигателя.
Формирование в начале XIX в. теоретической базы для расчета тепловых машин, позволило сформулировать задачу разработки судовой энергетической установки на базе паровой турбины с вакуумным конденсатором. Патент на первый паротурбинный двигатель получил американский морской инженер, адмирал Бенжамин Франклин Изервуд (Benjamin Franklin Isherwood, 1822-1915) в 1857 г.
После проведения в 1870 г. инженерных разработок несколько паротурбинных установок (ПТУ) были установлены на военные фрегаты серии USS «Wampanoag». Новый двигатель позволил обеспечить относительно высокую скорость (17,75 узла / 33 км. час), но ПТУ на базе одноступенчатой турбины оказались слишком сложными в изготовлении, но не более эффективными, чем паровые машины (к.п.д. 6-8%), вследствие чего нашли применение лишь в качестве двигателей судов береговой охраны (USGS), предназначенных для перехвата контрабандистов.
Массовое применение паротурбинных установок на флоте связано с созданием многоступенчатых паровых турбин, позволивших поднять КПД паровых машин с 4-5% до 15-18%., что было незамедлительно использовано в промышленной и морской энергетике. Создание современных паровых турбин связано с именами выдающихся инженеров XIX века: шведом К. Лавалем и англичанином Ч. Парсоном.
Применение паровых турбин резко повышало экономичность энергетических установок за счет более полной отдачи энергии пара. Однако рост удельной мощности СЭУ привел не только повышению абсолютного расхода пара, но потребовал существенного повышения его параметров: давления и температуры. Широко распространенные огнетрубные (газотрубные) котлы из-за присущих им недостатков не могли удовлетворить этим требованиям и оказались несовместимыми с турбинным двигателем. Поэтому на кораблях с паротурбинной установкой (ПТУ) стали применять только водотрубные котлы, позволяющие не только генерировать пар с повышенными параметрами, но и обеспечивающие более высокую маневренность, паропроизводительность, меньший вес и размеры.
Важнейшим достоинством водотрубных котлов оказалась их приспособленность к нефтяному отоплению. Поэтому одновременно с внедрением водотрубных котлов на миноносцах стали вводить и нефтяное отопление. Это позволило снизить удельный весовой расход топлива по сравнению с угольным отоплением
Паротурбинные установки очень широко применяются в военном флоте, где требуются главные двигатели большой мощности. В гражданском флоте они применяются на крупнотоннажных танкерах, газоходах и сухогрузных судах. На газоходах используется пары перевозимого груза метановой группы, образующиеся в процессе необходимого охлаждения сжиженного газа, в качестве котельного топлива. Использование этого бросового горючего повышает экономичность ПЭУ.
Рис. 1.7 Схема пароэнергетической установки с закрытой системой питательной воды
На Рис. 1.7 Схема пароэнергетической установки с закрытой системой питательной воды показана тепловая схема пароэнергетической установки с закрытой системой питательной воды. В главной паровой турбине имеется несколько отборов пара: на нагрев питательной воды в подогревателе низкого давления ПНД, в подогревателе высокого давления ПВД непосредственно перед подачей питательной воды в котёл; часть отобранного пара направляется в деаэратор ДАЭ для удаления воздуха из конденсата. Термодинамический анализ цикла пароэнергетической установки показывает, что отбор пара на подогрев воды повышает термический кпд цикла. На схеме показаны также: конденсатор КН, редукторная передача РП, насос НК для подачи охлаждающей воды в конденсатор, насос прокачки конденсата НПК и питательный насос ПН.
Преимущества ПТУ перед другими типами главных двигателей:
— возможность получения больших мощностей в единичном агрегате (до 200 000 кВт);
— возможность использования дешёвых низкосортных видов топлива (ископаемого угля, мазута и др.).
К недостаткам ПТУ следует отнести:
— невысокий коэффициент полезного действия;
— большие габаритно-массовые показатели;
— плохие маневровые качества – длительный период пуска, сложности с маневрированием и пр.
Современные ПТУ работают со следующими параметрами – давлением в парогенераторе до 10 МПа, температурой перегретого пара до 520-580 ºС и давлением в конденсаторе – 0,005-0,006 МПа. В некоторых схемах мощных ПТУ применяется вторичный перегрев пара для повышения эффективности.
Экономический анализ показывает, что ПТУ становятся конкурентноспособными с другими главными судовыми установками при мощностях, превышающих 15-20 тысяч киловатт.
Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определен как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты, содержащейся в топливе. Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла. КПД тепловой машины равен
,
Wout — механическая работа, Дж;
Qin — затраченное количество теплоты, Дж.
Тепловой двигатель не может иметь КПД больший, чем у цикла Карно, в котором количество теплоты передается от нагревателя с высокой температурой к холодильнику с низкой температурой. КПД идеальной тепловой машины Карно зависит исключительно от разности температур, причем в расчетах используется абсолютная термодинамическая температура. Следовательно, для паровых двигателей необходимы максимально высокая температура T1 в начале цикла (достигаемая, например, с помощью пароперегрева) и как можно более низкая температура T2 в конце цикла (например, с помощью конденсатора):
Такие различия в эффективности происходят из-за особенностей термодинамического цикла паровых машин. Например, наибольшая отопительная нагрузка приходится на зимний период, поэтому КПД ТЭЦ зимой повышается.
Одна из причин снижения КПД в том, что средняя температура пара в конденсаторе несколько выше, чем температура окружающей среды (образуется т.н. температурный напор). Средний температурный напор может быть уменьшен за счет применения многоходовых конденсаторов. Повышает КПД также применение экономайзеров, регенеративных воздухоподогревателей и других средств оптимизации парового цикла.
Комбинированные установки
Совместное использование двух или более типов тепловых двигателей в одной установке улучшает термодинамические качества комбинированного цикла, в котором достоинства одного простого цикла компенсируют недостатки другого.
Рис. 1.8 Схема и цикл комбинированной установки, примененной при проектировании речного толкача «Маршал Блюхер»
На Рис. 1.8 показана схема и цикл комбинированной установки, которая была применена при проектировании речного толкача «Маршал Блюхер». Выпускные газы дизеля (ДВС) здесь используются в утилизационном парогенераторе УК. За счёт тепловой энергии газов получается водяной пар, который направляется в паровую турбину ПТ, которая вращает электрогенератор ЭГ, входящий в состав судовой электростанции. Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор КН, а затем конденсат вновь подаётся питательным насосом НС в парогенератор.
На диаграмме T – s изображены: идеальный цикл поршневого ДВС с изохорно-изобарным подводом теплоты 12345 и пароводяной цикл Ренкина 6789. В циклах происходят следующие процессы:
1-2 – адиабатное сжатие в цилиндре ДВС,
2-3 – изохорный процесс подвода теплоты,
3-4 – изобарный процесс подвода теплоты,
4-5 – адиабатное расширение газа в цилиндре,
5-1 – изохорный отвод теплоты,
6-7 – адиабатное расширение пара в паровой турбине,
7-8 – изобарно-изотермический процесс конденсации отработанного пара в конденсаторе КН,
8-9-6 – изобарный процесс подвода теплоты в парогенераторе.
Процесс сжатия и подачи воды в парогенератор на диаграмме не показан из-за его незначительного влияния на общую схему энергообмена.
В рассматриваемой схеме предусмотрена передача части бросовой теплоты отходящих газов (процесс 5-5´) для полезного использования в утилизационном парогенераторе, где за счёт этой теплоты происходит преобразование воды в пар (процесс 7-8-9). Таким образом, здесь используется достоинство цикла ДВС – высокая температура подвода теплоты, а недостаток этого цикла – высокая температура отвода теплоты компенсируется применением цикла Ренкина, в котором температура отвода теплоты очень низкая и составляет всего 330-340 К. В то же время недостаток цикла Ренкина – низкая температура подвода теплоты не играет роли в комбинации с циклом ДВС, так как подвод теплоты происходит в последнем.
Термический кпд этой комбинированной установки равен
,
где 
и 
— мощности, соответственно, ДВС и парового двигателя, а Ф1 – подведенная (от сжигания топлива) в ДВС тепловая мощность.
На Рис. 1.9 показана тепловая схема комбинированной установки морского ролкера (сухогрузного теплохода с горизонтальным способом погрузки-выгрузки) «Капитан Смирнов», состоящая из газотурбинной установки ГТД и паротурбинного двигателя ПТД, в котором пар вырабатывается в утилизационном котле УК, работающим на энергии отходящих газов газотурбинного двигателя. Пар утилизационного котла используется для работы главной паротурбинной установки ГПТ и вспомогательной паровой турбины ВПТ, вращающей электрогенератор ЭГ. Газотурбинная установка и главная паровая турбина работают совместно через редукторную передачу РП на один гребной винт. Паровой контур содержит, кроме вышеперечисленных агрегатов, конденсаторы ГКН и ВКН, и питательный насос ПН.
Рис. 1.9 Тепловая схема комбинированной установки морского ролкера «Капитан Смирнов»
В этой установке суммарной мощностью 17000 кВт на долю ГТД приходится около 14000кВт, а на долю ПТД – около 3000 кВт. Здесь достигнут достаточно низкий удельный расход топлива (256 г/кВт ч) при снижении температуры отходящих газов в утилизационном котле с 390 ºС до 180ºС и получении перегретого пара давлением 1,5 МПа и температурой 310 ºС.
Рис. 1.10 Схема комбинированной установки с разнотипными параллельными двигателями
Похожая комбинированная установка использована в СЭУ американского сухогрузного теплохода «Джон Суджент», где теплота отходящих газов ГТД используется для выработки водяного пара. Отличие заключается в том, что здесь пар используется только во вспомогательной турбине, приводящей в действие электрогенератор.
Иногда комбинированные установки применяют на тех судах, где по условиям эксплуатации требуется кратковременное увеличение мощности. Такие условия могут быть у ледоколов, а также у неводоизмещающих судов. На Рис. 1.10 показана главная СЭУ ледокола, включающая дизельные двигатели ДВС и газотурбинные установки ГТД. Параллельная работа всех двигателей и отключение форсажных ГТД осуществляется с помощью специальных муфт МФ.
Атомные судовые установки
В российском гражданском флоте готовы к эксплуатации семь ледокольных судов с атомными СЭУ. Первым был построен и введён в эксплуатацию в 1959 году ледокол «Ленин», который несколько десятилетий трудился на проводке судов по Северному морскому пути. Тепловая мощность парогенераторов этого атомохода составляла 280 МВт, а эффективная мощность, передаваемая на гребные винты, была равна 30 МВт.
В одно время с атомоходом «Ленин» на морях работало несколько зарубежных гражданских судов с атомными установками: американский сухогруз «Саванна» грузоподъёмностью 20000 тонн, немецкое исследовательское судно-рудовоз «Отто Ган» и японское учебно-транспортное судно «Муцу».
Рис. 1.11 Схема атомной установки
В настоящее время в составе российского флота числятся четыре атомных ледокола типа «Арктика» и два ледокола с уменьшенной осадкой типа «Вайгач». Кроме того, в составе флота есть уникальное судно – лихтеровоз «Главсевморпуть», предназначенное для перевозки к северным районам груженых лихтеров – барж грузоподъёмностью около 1000т. Все эти корабли имеют эффективную мощность от 29 до 50 МВт.
На всех отечественных атомоходах установлены водоводяные реакторы типа ВВР, работающие на уране-238, обогащенном до 5% ураном-235. Одной заправки реактора (около 30 т) достаточно для работы СЭУ в течение года.
Атомная судовая установка (Рис. 1.11) работает по пароводяному циклу Ренкина. Функции котла выполняет атомный реактор АР, в котором тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) контактируют с водой, выполняющей роль теплоносителя и замедлителя нейтронов. Уровень ядерного деления в реакторе поддерживается с помощью специальной системы регулирования (на схеме не показана).
Вода в реакторе находится под давлением около 20 МПа, что позволяет нагревать её без кипения до 320-330 ºС. Горячая вода циркуляционным насосом подаётся в парогенератор ПГ, где передаёт теплоту во второй водяной контур. Давление во втором контуре составляет 3-4 МПа, и вода здесь вскипает, в результате чего образуется перегретый пар с температурой около 300-310 ºС. Этот пар поступает в турбину ПТ, откуда затем – в конденсатор КН и питательный насос ПН. Термодинамический цикл, осуществляемый во втором контуре, по принципиальным параметрам не отличается от цикла обычной паротурбинной установки.
Вся атомная судовая установка защищена экраном биологической защиты.
Кроме главной установки СЭУ атомохода имеет вспомогательные паротурбинные установки для привода электрогенераторов, аварийные дизель-генераторы и котлы, работающие на жидком углеводородном топливе.
Ограниченность применения кораблей с ядерными энергетическими установками во многом связано с тем, что порты многих стран (Японии, Южной Кореи, Австралии и др) закрыты для этих судов. С восстановлением северных перевозок в ближайшие десятилетия следует ожидать интенсивного использования атомоходов на внутренних арктических линиях.
Энергия старого мира
Введение
Эта статья является продолжением публикации «Взгляд в прошлое. Технология 18 века».
В ней мы построили реально работающий паровой двигатель, который должен стать главной частью будущего парового мотоцикла, и даже провели пробные эксперименты по его запуску на воздухе.
Теперь нужно решить энергетический вопрос. И тут начинаются основные отличия от двигателей внутреннего сгорания (ДВС). В таких двигателях бензин, смешиваясь с воздухом, попадает в цилиндр двигателя и при воспламенении этой воздушно-топливной смеси выделяется энергия. Расширившиеся продукты горения давят на поршень, производя работу. Но вот у паровых машин, энергия рождается не в двигателе. Она рождается в котле. Котёл производит пар, который в свою очередь и будет давить на поршень нашего двигателя. Эту древнюю энергию нам и требуется обуздать!
Устройство
Паровой котёл — котёл, предназначенный для генерации насыщенного или перегретого пара. Может использовать энергию топлива, сжигаемого в своей топке, электрическую энергию или утилизировать теплоту, выделяющуюся в других установках. (Википедия)
Существует два основных типа котлов: классический и прямоточный. Первый тип чаще всего использовался для работы паровых машин. Его можно описать как железный резервуар, в который врезана топка. Топливо горит в топке, обогревая воду в резервуаре. Вода в нём начинает кипеть и создаётся пар под давлением. Такой тип использовался на паровозах и всех первых паровых машинах:
У классических котлов есть как преимущества, так и недостатки. Преимущества заключаются в том, что для создания давления пара не требуется каких — либо насосов, так как накопленная энергия воды может ещё долго снабжать двигатель паром даже при отсутствии огня. Такие котлы не очень требовательны к качеству воды. Паровозы заправляли самой обычной водой из речек, родников, колодцев и прочее.
Прямоточный котёл можно представить как длинную, компактно свёрнутую трубку, обтекаемую пламенем, в которую насосом закачивают воду. Такой тип котла обладает целым рядом преимуществ:
Создание прямоточного котла
И, конечно, мне захотелось сделать именно прямоточный котёл.
Подобрав длинные нержавеющие трубки разного сечения, я сварил их вместе таким образом, чтобы сечение постепенно увеличивалось. Затем, весь этот 8 метровый «кишечник» был компактно свёрнут и уложен в раму мотоцикла. Внешние стенки, которые должны удерживать пламя и направлять его в нужную сторону, были сделаны из простой жести. Насос, закачивающий воду (носитель), изготовил из газового доводчика, который обычно придерживает капоты и багажники автомобилей. Конструктивно, «доводчик» — это готовое изделие. Мне необходимо было только приварить вход и выход для воды и приделать клапан, который не пускал бы закаченную воду обратно. Насос подвижно крепился одной своей частью к раме, а второй к кривошипу на валу колеса. С помощью гибкого шланга высокого давления (тормозной шланг от авто) вода под давлением закачивалась в котёл, а забиралась из отдельного бачка, располагавшегося выше насоса. Горелку сделал по типу «кровельных», такими рабочие греют рубероид на крышах зданий. Чтобы процент обтекания трубок был больше, горелки поставил сразу две.
Испытания парового мотоцикла, оснащённого прямоточным котлом, с самого начала пошли не так. Самой первой проблемой стало отсутствие «начального» давления в котле. Приходилось руками покручивать колесо, чтобы насос отправлял некое количество воды в трубопровод. Но, когда я открывал ручку газа (подавая пар на двигатель) давление пара мгновенно падало, не успевая закрутить колесо. Выход нашёлся не сразу. Был сделан небольшой воздушный ресивер после насоса. Он работал как пружина для воды. Запасал энергию сжатия от насоса и отдавал её обратно, когда насос был в мёртвой точке или в фазе всасывания питательной воды.
Двигатель заработал! Но проработал, около 10 секунд. Золотниковый клапан заклинил. При разборе двигателя, никаких проблем выявлено не было. Собрав его обратно и запустив снова, я столкнулся с той же проблемой. Она оказалась приходящей и уходящей сама собой. После изучения этой проблемы, нашлась ошибка в расчётах теплового расширения. Изначально, золотник представлял собой цельную деталь из фторопласта, а у него, как оказалось, очень большой коэффициент теплового расширения (22) и он при прогреве расширялся настолько, что его насмерть заклинивало в корпусе.
После подробных и тщательных расчётов тепловых расширений был выточен стальной золотник, оснащённый фторопластовыми кольцами, шириной 2 миллиметра.
Поскольку корпус алюминиевый, а золотник стальной, вся разница тепловых расширений была сведена практически к нулю.
Новое испытание показало, что золотник работает просто прекрасно и без замечаний. Вывешенное колесо крутилось, вода закачивалась, прямоточный котёл работал. Пришло время прокатиться. Но тут возникла новая проблема. Мне не удавалось на нём проехать больше нескольких метров. И опять я был сбит с толку. Всё же работало! На холостом ходу всё отлажено! Что ещё не так?
После долгого анализа других подобных паровых аппаратов,
Я понял, что у меня слишком маленький котёл (длина обогреваемой трубки), в следствие этого при увеличении производительности, вода просто не успевала испаряться и вылетала вместе с паром в двигатель. От такого эффекта пропадает КПД всей установки, так как расширение воды слишком мало или не происходит вовсе. Увеличить длину котловой трубки уже задача не такая простая. Но и на этом моё горе не закончилось.
Во время очередных испытаний, я мучил аппарат, заставляя его работать, но состояние двигателя начало резко ухудшаться и в какой-то момент он заклинил. На этот раз, просто остудить его снегом, не помогло. Снова понадобилась капитальная переборка. Результаты вскрытия показали, что расплавились все фторопластовые кольца и даже алюминиевый поршень от нагрева расширился настолько, что начал задирать цилиндр. И это оказалось фатальной проблемой. Дело в том, что при большом расходе, данный котёл не успевал производить должное количество пара, а при маленьком расходе, он создал пар такой энергии, что просто вышел из строя весь двигатель. И не удивительно. Ведь выходные трубки котла были раскалены докрасна. То есть пар, достигал температур, порядка 600-700 *С. Как мы знаем, фторопласт распадается при 400*С. Для меня, это и стало «последней каплей»! Мне уже хотелось получить работоспособный мотоцикл, а я погряз в каких-то бесконечных проблемах!
Нужно было переделывать в котле почти всё. И в этот-то момент я понял, что, несмотря на неоспоримые преимущества прямоточного котла, это изделие весьма не простое и требует тонкого расчёта, дополнительного регулирующего оборудования, да и насос съедал не малую часть вращательной энергии. Сложилось чёткое понимание, что, если бы я делал классический котёл, то ни одной из этих проблем просто не возникло бы!
Классический котёл
После всех тех бесконечных проблем с прямоточным котлом, создавая классический, я просто, можно сказать, отдыхал. Как уже говорил выше, это всего-то железная бочка, в которую врезана топка. Можно было совершенно не задумываться о температуре пара, ведь при лишнем давлении срабатывает предохранительный клапан и сбрасывает излишки, уменьшая температуру воды и поддерживая давление в заданных пределах. Не нужно было создавать начальное вращение колеса, чтобы нагнать первоначальное давление. Пар для «старта» был готов сразу и даже запасён с излишком. Всё, что требовалось — это придумать эффективную топку. Но тут пришлось хорошенько подумать, ведь места у нас не так много.
Изготовление
На металлоприёмке я нашёл какой-то ресивер или баллон из-под пропана с толщиной стенки 3-4 мм, так что габариты котла уже были заданы жёстко.
Если сильно заморачиваться с массивной и эффективной топкой, то останется мало места для самой воды (носителя). Если топка будет слишком маленькой, то у нас не будет достаточной энергии для более менее удовлетворительной крейсерской скорости, ну и сам процесс нагрева котла займёт слишком много времени.
И вот, что я придумал. Топка будет подвержена сдавливанию огромным давлением, поэтому решено было сделать её простой, сквозной и круглого сечения. Под это пошла обычная труба 100 мм. Для увеличения КПД нашей топки (теплообменника), были врезаны 12 поперечных сквозных трубок.
Я посчитал это очень выгодным, так как они обтекались бы пламенем и выхлопными газами под прямым углом,
а вода внутри них циркулировала бы под естественным эффектом конвекции. Это позволит сохранить максимальный объём воды в котле, а для нас это запас хода. И, как бонус, такую топку было легко врезать в резервуар. Следовало всего лишь сделать два отверстия по обоим краям.
Для контроля давления установил небольшой манометр. Температуру носителя контролировать не обязательно, так как она напрямую связана с давлением и явно не выходит за критическую отметку (400*С). Давление в котле решил сделать как у реальных паровозов 16 bar.
Предохранительный клапан настроил на 18 bar. Теперь осталось его опрессовать. Это своего рода проверка на прочность. Котёл наполняется доверху водой и накачивается повышенное давление. Сначала, я это делал оставшимся от предыдущей котловой системы, насосом из доводчика, но сжимать такой насос при давлении более 20 bar, оказалось не простой задачкой (очень хорошо, что мы теперь можем отказаться от такого узла, ведь он забирал уйму мощности на себя). Оказалось, что опрессовывать удобнее всего углекислотным огнетушителем. Им я без труда создал давление в котле в 25 bar (это был максимум моего манометра) и, выждав несколько минут, приступил к настройке предохранительного клапана.
Котёл получился на славу. Даже давление в 25 bar оказалось ему нипочём. Он даже не начал хрустеть. Предохранительный клапан (использовал от компрессоров) срабатывал чётко, хоть и ронял давление с 18 до 9. Этот для нас очень не выгодно, но он будет срабатывать только в тех случаях, когда сам за давлением не уследишь. Так что, до его срабатывания лучше не доводить. Это будет бессмысленное выбрасывание ресурсов.
Пламя
Теперь нужно решить вопрос с огнём. Конечно, было бы красиво и приятно топить подобный мотоцикл дровами. Это же ретроспектива в прошлое, стимпанк, классичность, но, как я уже говорил, у нас очень мало для этого места, ведь наша топка чуть больше локтя. Конечно, можно туда уместить шапку угля, но этого не хватит даже на то, чтобы просто прогреть котёл. Тут пришлось отступить от романтичности и изготовить газовую горелку. На самом деле это очень эффективное, мощное и удобное топливо. Газ жидкий, поэтому его легко запасать, легко подавать в горелку и он сразу идёт под давлением, что позволяет создавать скоростной горячий поток в топке, тем самым улучшая теплообменный процесс (не требуется поддув).
Изготовление
На металлоприёмке нашёл отличные, маленьких размеров, нержавеющие бачки. Судя по их форме и синей окраске, это кислородные баки от какого-то пассажирского самолёта. Я собрал несколько таких бачков в батарею и объединил магистралями подачи газа и заправки. Объём каждого бачка примерно 1.7 л, а значит, можно будет везти с собой запас топлива более 5л. жидкого газа. Согласитесь, не плохой запас энергии.
С горелкой не стал мудрить и просто скопировал систему с советской бензиновой паяльной лампы. Тут я должен кое-что пояснить. Паяльная лампа устроена таким образом, что бензин сначала попадает в некую полость, где должен испариться и уже в виде паров выпускается в зону горения. А пламя горелки обогревает эту самую «испарительную» камеру. То же самое потребуется и нам. Представьте, что будет, если жидкий газ начнёт вылетать из такой горелки… Процесс испарения газа относительно долгий, а ко всему прочему, ещё и сопровождается криогенным эффектом. Пламя из такой горелки будет длинным, не эффективным, не экономичным и даже пожароопасным.
Эксперимент (рис А)Пламя с не прогретой горелки (рис В)Правильный режим, прогретая горелка
Поэтому подавать газ, в нашу горелку следует плавно, чтобы она успела прогреться.
Испытания котла прошли как по маслу. Заправил примерно 35 л воды, горелку вывел на полную мощность и ждал. Через 14 минут вода закипела, и давление потихоньку начало подниматься. Примерно через такое же время в котле было 16 bar.
Для управления подачей пара я использовал простой водопроводный шаровой кран, который отлично справлялся и с температурой, и с давлением. В них используется тот же самый фторопласт, так что проблем, думаю, не будет.
Для интереса, я решил открыть кран на полную и посмотреть на нашу энергию. Струя пара долетала до соседних гаражей и создавала шум взлетающей ракеты. При этом я ощутил силу реактивной тяги, пришлось даже придерживать котёл, чтобы он не начал летать по всей улице. Я был очень доволен!
В котле подобного типа запасается огромное количество энергии. При выпускании пара в течение 5 секунд через отверстие ½ дюйма, давление в котле упало всего лишь наполовину. Дело в том, что при уменьшении давления смещается и точка кипения воды. То есть вода начинает кипеть и без подогрева, всего лишь от уменьшения давления. Этот эффект будет работать до тех пор, пока температура воды не упадёт до 100 *С. Это для нас приятная новость. Значит, можно будет долго ездить и с выключенной горелкой.
Но есть и один не совсем для меня понятный эффект. При активном выпускании пара при давлении менее 5 bar, начинает вылетать вода. Я предположил, что она кипит столь интенсивно, что в своём неистовом бурлении долетает до сухопарника и подхваченная потоком пара улетает наружу. Для эксперимента я слил часть воды, оставив уровень 20%. Эффект конечно уменьшился, но всё равно остался. Неужели вода подпрыгивает в котле на 30-40см? Если честно, с этим я пока так и не разобрался. Такая вот небольшая загадка.
Ну да ладно! Функционал готов, пора собрать наш аппарат!
Стиль
Во время конструирования нашего необычного мотоцикла, многие «учёные мужи» советовали мне сделать замкнутую систему воды. То есть, что бы из двигателя пар не вылетал на улицу, а попадал в конденсатор (охладитель) и получившаяся вода снова закачивалась бы в котёл с помощью маленького насоса. Это очень хорошая идея, я и сам постоянно об этом думал. Но цель нашего проекта не кругосветное путешествие на дровах, а рассмотреть технологию позапрошлого века, победить инженерный вызов и насладиться работой настоящего парового двигателя. Ну, а какой же паровой двигатель без этого легендарного «чух-чух». Кроме того, хочется наблюдать вылетающий пар, он будет многое рассказывать о режимах происходящих внутри двигателя. Ну и наконец, я просто нахожу очень красивым, когда от паровоза идут клубы пара, особенно если они подсвечены солнцем. Романтика паровозов, так сказать. Но, не смотря на это всё, для образа, я решил всё-таки сделать конденсатор, что бы было видно о наших замашках, и просто для стиля.
Большинство различных самоделок имеют стиль «Безумного макса» или «Постапокалиптического мира». Да, так проще всего. Особо то и делать ничего не нужно. Ржавые железки, приваренные гаечные ключи, немного висящих тряпок и стиль готов. Но этой простоты, или так сказать «ленивого стиля» в нашем мире очень много. Мне захотелось сделать что-то маленькое, милое и красивое. Сделать «конфетку», так сказать. И раз уж у нас древняя паровая технология, сам собой напрашивается «Стимпанк».
Стимпанк – это вымышленный мир. Такой, каким он стал бы, если человечество не изобрело электричество, ДВС и прочие технологии и существовала бы только энергия пара.
Я, конечно, не дизайнер, но при сборке мотоцикла, некоторые вещи всё же пришли на ум.
Испытание парового мотоцикла
«Гаражные» испытания полностью готового парового мотоцикла, оснащённого котлом классической конструкции, прошли на удивление гладко. Пока я его строил, в комментариях к видеороликам, люди рекомендовали много правильных и умных вещей. По ходу дела, некоторые из них я применял и в итоге они отлично себя показали. Так, например, при прогреве двигателя паром, в нём конденсируется много воды, которая блокирует поршень и может привести к гидроудару. Люди предложили сделать маленькое отверстие с резьбой, с помощью которого можно было бы выпускать пар и сливать сконденсировавшуюся воду, тем самым быстро его прогревать. Потом, заглушить его винтиком и спокойно сразу ехать.
На удивление, самая первая попытка проехать на полностью готовом мотоцикле, прошла без каких — либо проблем. Как говорится, «сел и поехал». Покатавшись немного перед гаражом, я понял, что для меня этого не достаточно и я хочу больше. Разумеется, чтобы замерить все параметры, увидеть слабые места, ощутить и понять этот аппарат, нужна прямая, пустая, бесконечная трасса. Поэтому пришлось вывезти мотоцикл за город и спокойненько со всем этим разобраться.
В целом, я очень доволен результатами. Они даже превзошли мои ожидания. Видя, как ездят подобные паровые мотоциклы во всём мире, наша малютка оказалась далеко не на последнем месте.
Заключение
Когда задумывал строить этот паровой мотоцикл, я рассуждал так: вот сделаю его, как – нибудь это всё проедет и, удовлетворив все свои инженерные интересы, поставлю его дома напротив дивана в качестве эстетического элемента, навсегда. Но нет! Теперь это наоборот не даёт мне покоя. Я хочу его изучать, модернизировать, переделывать и побивать его же рекорды, хочу определить его максимум, понять всё, на что он способен! Конечно, в рамках этой концепции.
Первое с чего начну, это переделаю систему переключения пара на классическую. Мне стало интересно, какова будет разница. И ещё, при последующих испытаниях нужно будет «поиграть» с настройками. Добиться максимальной скорости, подобрав наиболее правильное опережение впуска пара. Ещё, хочу поэкспериментировать с разными видами топлива.
Видимо грядёт большая модернизация. Так что, если наш «паровоз» собирался уйти на пенсию и отсидеться где-нибудь в музее, тут я его сильно разочарую! У него впереди ещё длинное, тяжелое, но интереснейшее будущее!
Более подробно о создании и испытаниях в видео материалах:
Энергия пара покорилась!
Отличная идея или фиаско? Разбираемся с прямоточным котлом