Паровая машина Джеймса Уатта. Практическая работа 1. Практическая работа 1 Первая паровая машина Джеймса Уатта
 Скачать 378.64 Kb.
|
|
Практическая работа 1 Первая паровая машина Джеймса Уатта Паровая машина Томаса Ньюкомена. Цель применения. Принцип действия. Недостатки Паровая машина Ньюкомена - пароатмосферная машина, которая использовалась для откачки воды в шахтах и получила широкое распространение в XVIII веке. Водоподъёмные насосы Ньюкомена с поршневым паровым двигателем нашли применение в Англии и в других европейских странах для откачивания воды из глубоких затопленных шахт, работы в которых без них производить было бы невозможно. К 1733 г. их было куплено 110, из которых 14 - на экспорт. С некоторыми усовершенствованиями их до 1800 г. произвели 1454 штуки, и они оставались в употреблении до начала XX века. В России первая машина Ньюкомена появилась в 1777 году в Кронштадте для осушения дока. Усовершенствованная машина Уатта не могла вытеснить машину Ньюкомена там, где был в избытке уголь низкого качества. В частности, на угольных разработках в Англии машины Ньюкомена использовались до 1934 года. Рабочий ход в вакуумном двигателе Ньюкомена совершается не высоким давлением пара, а низким давлением вакуума, образующегося после впрыска воды в цилиндр, заполненный горячим паром. Низкое давление вакуума увеличивало безопасность двигателя, но сильно уменьшало его мощность. Под действием собственного веса поршень насоса (прикрепленный к левому плечу коромысла на анимации, на анимации сам поршень не показан) опускается вниз, а поршень паровой части машины (прикреплен к правому плечу коромысла на анимации) поднимается, и пар низкого давления впускается в вертикальный рабочий цилиндр, открытый сверху. Впускающий пар клапан закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. Изначально пар конденсировался в результате внешнего водяного охлаждения цилиндра с паром. Затем введено усовершенствование: для ускорения конденсации в цилиндр с паром после закрытия клапана впрыскивалась вода низкой температуры (из ёмкости непосредственно под правым плечом коромысла на анимации), а конденсат сбегал в сборник конденсата. При конденсации пара давление в цилиндре падает, и атмосферное давление с усилием двигает поршень паровой части машины вниз, совершая рабочий ход. При этом поршень насосной части машины поднимается вверх, увлекая за собою воду на более высокий уровень. Далее цикл повторяется. Смазка и уплотнение поршня паровой части осуществляется небольшим количеством воды, налитой на него сверху. Основной недостаток машины Ньюкомена состоял в попеременном нагревании и охлаждении цилиндра. Усовершенствование машины Томаса Ньюкомена. Принцип действия Рабочий ход поршня только в одну сторону (вниз), и постоянные потери тепла на нагревание остывшего цилиндра ограничивали эффективность машины (КПД менее 1%). Первым усовершенствованием, введённым Уаттом, был отдельный конденсатор, позволивший держать цилиндр постоянно горячим. В своём принципиально новом двигателе Уатт отказался от пароатмосферной схемы, создав коромысловую машину двойного действия, в которой рабочими были оба хода поршня. Цепь не могла более служить передаточным звеном к коромыслу во время хода поршня вверх, и возникла потребность в механизме, который передавал бы мощность от поршня к коромыслу в обоих направлениях. Этот механизм также был разработан Уаттом. Мощность увеличилась примерно в пять раз, что дало 75 % экономию в себестоимости угля. Тот факт, что на базе машины Уатта стало возможно преобразование поступательного движения поршня во вращательное, и стал толчком к промышленной революции. Тепловой двигатель теперь мог крутить колесо мельницы или фабричного станка, освободив производство от водяных колёс на реках. Уже к 1800 г. фирма Уатта и его компаньона Болтона произвела 496 таких механизмов, из которых только 164 использовались как насосы. Ещё 308 нашли применение на мельницах и фабриках, а 24 обслуживали доменные печи. Паровая машина двойного действия. Принцип действия Джеймс Уатт в 1782 году изобрел машины двойного действия. В машинах одиночного действия поршень перемещался в одну сторону силой расширяющегося пара, но обратно он возвращался или под действием гравитации, или за счёт момента инерции вращающегося маховика, соединённого с паровой машиной. В паровых машинах двойного действия свежий пар поочерёдно подаётся в обе стороны рабочего цилиндра, в то время как отработанный пар с другой стороны цилиндра выходит в атмосферу или в конденсатор. Это потребовало создания достаточно сложного механизма парораспределения. Принцип двойного действия повышает скорость работы машины и улучшает плавность хода. Поршень такой паровой машины соединён со скользящим штоком, выходящим из цилиндра. К этому штоку крепится качающийся шатун, приводящий в движение кривошип маховика. Система парораспределения приводится в действие другим кривошипным механизмом. Механизм парораспределения может иметь функцию реверса для того, чтобы можно было менять направление вращения маховика машины. Паровая машина двойного действия примерно вдвое мощнее обычной паровой машины, и кроме того, может работать с намного более лёгким маховиком. Это уменьшает вес и стоимость машин.  Рисунок 1 - Схема горизонтальной одноцилиндровой паровой машины высокого давления, двойного действия Отбор мощности осуществляется приводным ремнём: 1 - поршень; 2 - шток поршня; 3 - ползун; 4 - шатун; 5 - коленчатый вал; 6 - эксцентрик для привода клапана; 7 - маховик; 8 - золотник; 9 - центробежный регулятор. Автоматический контроллер скорости – центробежный регулятор Уатта. Принцип действия. Центробежный чувствительный элемент, являющийся измерителем скорости машины, был заимствован Уаттом из водяных и ветряных мельниц, где он использовался для изменения усилия прижима жерновов при изменении скорости ветра. Его устройство было запатентовано механиком Томасом Мидом в 1787 г. Центробежный чувствительный элемент Уатта, приводимый во вращение от вала машины через шкив, содержит два массивных шара, соединенных с ползуном, связанным рычагом с заслонкой паровой машины. Центробежная сила, возникающая при вращении шаров, уравновешивается их весом таким образом, что каждому значению скорости соответствует определенное положение ползуна, а следовательно, и расхода или давления пара в цилиндре. В дальнейшем для улучшения регулировки такой элемент оснащался пружиной, компенсирующей вес шаров. При увеличении момента нагрузки скорость машины слегка падает, поскольку для увеличения давления пара заслонка должна быть приоткрыта, что достигается движением ползуна вниз, т. е. опусканием грузов. Возникающая при этом ошибка регулирования скорости была названа неравномерностью регулятора, а все регуляторы такого типа назывались модераторами, т. е. устройствами, которые не устраняют ошибку регулирования, а только ее снижают. Современное название ошибки — статическая ошибка, а регулятора — статический регулятор.  Рисунок 2 - Центробежный чувствительный элемент Уатта (1 - шкив; 2 - шары; 3 - ползун; 4 - рычаг) Выводы: Выдающийся шотландский инженер, изобретатель-механик Джеймс Уатт, труды которого положили начало промышленной революции сначала в Англии, а затем и во всем мире. Джеймс Уатт изобрел универсальную паровую машину, усовершенствовав паровую машину Ньюкомена, которую во времена Уатта использовали для откачки воды из угольных шахт. Первым таким значительным новшеством стала изолированная камера для конденсации: Джеймс Уатт зарегистрировал патент на свое изобретение в 1769 году. При этом в документе значилось, что он изобрел не новую паровую машину, а паровой двигатель, температура которого всегда равнялась температуре пара. Следующее усовершенствование было направлено на то, чтобы заставить поршень в цилиндре совершать полезную работу не за счет атмосферного давления, а с помощью давления пара. Позднее он также изолировал паровой цилиндр, а в 1782 году изобрел машину двойного действия, которая позволила увеличить производительность паровой машины в четыре раза, что дало 75% экономию в себестоимости угля. В дополнение к другим различным усовершенствованиям паровой машин Уатт также изобрел центробежный регулятор, при помощи которого осуществлялся автоматический контроль за скоростью машины, манометр и дроссельный клапан. Помимо паровой машины и усовершенствований для нее, Уатт также изобрел паровой молот. Патент на него изобретатель получил в 1784 году, сразу после получения патента на паровую машину. Это приспособление оснащалось маховым колесом для привода распространенного в то время рычажного молота. В 1780 году Уатт изобрел и запатентовал портативный копировальный пресс, который состоял из коробки, в которой были отделения для карандашей, ручки, линейки и бумаги, а также специальный отсек для копировальной бумаги. В металлизированной коробке был запас краски и воды на 24 листа копирования. Для зажима листа оригинала использовалась металлическая крышка. До начала работы копировальные листы 12 часов выдерживались в специальном составе. В качестве измерения мощности Уатт предложил использовать понятие «лошадиная сила». Эта единица измерения использовалась при большинстве расчетов до 1882 года, пока Британская ассоциация инженеров решила назвать единицу мощности именем Уатта — Ватт. Это был первый в истории техники случай присвоения собственного имени единице измерения. Задание 2 Иван Иванович Ползунов (14 марта 1728 г., Екатеринбург - 27 мая 1766 г., Барнаул) - русский изобретатель, создатель первой в России паровой машины и первого в мире двухцилиндрового парового двигателя. Первый этап автоматизации охватывает период времени с начала XVIII до конца XIX столетия. В 20-е годы XVIII столетия в России А. Нартовым был разработан автоматический суппорт для токарно-копировального станка. В 1765 г. русским механиком И. И. Ползуновым – творцом первой паровой машины универсального назначения – был создан первый в мире промышленный автоматический регулятор для поддержания постоянного уровня воды в котле паровой машины.  Рисунок 3 – Измерительный орган Измерительный орган – поплавок (1), находящийся на поверхности воды, перемещаясь, изменял подачу жидкости Dпв, идущей по трубе в котёл через отверстие клапана (2). Если уровень воды Нб поднимался выше положенного, то поплавок, перемещаясь вверх, закрывал клапан и подача воды прекращалась. В регуляторе Ползунова была реализована идея, являющаяся и поныне центральной в устройствах автоматического регулирования. В 1784 г. английским механиком Дж. Уаттом также для паровой машины был разработан центробежный регулятор скорости. В течение всего XIX столетия происходило совершенствование регуляторов для паровых машин. На первом этапе развития автоматизации были попытки создания автоматических станков и линий с жёсткой кинематической связью.  Рисунок 4 – Регулятор уровня воды в барабане парового котла В данном случае реализуется способ регулирования по отклонению, получивший название принципа Ползунова-Уатта. Сущность его состоит в следующем: чем больше отклонение регулируемой величины, тем больше перемещение регулирующего органа в направлении, препятствующем этому отклонению. Уравнение движения регуляторов Ползунова-Уатта (закон регулирования), как показано выше, можно записать следующим образом: e(t) = x0(t) — х(t), где отклонения e(t) регулируемой величины х(t) от её заданного значения x0(t). Алгоритм работы системы заключен в стремлении свести ошибку x(t) к нулю. Достоинство систем регулирования по отклонению в том, что обратная связь приводит к уменьшению ошибки независимо от факторов её вызвавших (изменений параметров регулируемого объекта или внешних условий). Но есть и недостатки: В системах с обратной связью возникает проблема неустойчивости; Малое быстродействие; Склонность системы к перерегулированию (колебание регулируемого параметра около заданного значения). Следует отметить, что развитие автоматизации производства в этот период времени основывалось на принципах и методах классической механики. |