Một mô hình của một động cơ beam có liên kết song song của James Watt cho dẫn động kép. [a]
Hình minh họa sự khác nhau giữa nguyên lý hoạt động của động cơ chân không và cao áp. Loại cao áp màu đỏ, loại thấp áp màu vàng và hơi ngưng tụ xanh. Động cơ chân không có một đầu để mở vào không gian. Piston của loại chân không quay về vị trí xuất phát (trên cùng) nhờ vào đối trọng; còn piston của loại cao áp trở về vị trí xuất phát (dưới cùng) nhờ vào đà quay (mô men động lượng).
Động cơ hơi nước là động cơ đốt ngoài, [ 1 ] trong đó chất lỏng thao tác được tách ra khỏi những mẫu sản phẩm đốt. Chu trình nhiệt động lý tưởng được sử dụng để nghiên cứu và phân tích quy trình này được gọi là quy trình Rankine .
Trong sử dụng chung, thuật ngữ động cơ hơi nước có thể đề cập đến các nhà máy hơi nước hoàn chỉnh (bao gồm cả nồi hơi, v.v.) như đầu máy hơi nước đường sắt và động cơ di động, hoặc có thể chỉ nói đến pít-tông hoặc máy tua-bin, như trong động cơ chùm và động cơ hơi nước đứng yên.
Các thiết bị chạy bằng hơi nước được biết đến sớm nhất là aeolipile trong thế kỷ thứ nhất sau Công nguyên, với một vài ứng dụng khác được ghi nhận vào thế kỷ 16 và 17. Bơm khử nước của Thomas Savery sử dụng áp suất hơi hoạt động giải trí trực tiếp trên mặt nước. Động cơ thành công xuất sắc về mặt thương mại tiên phong hoàn toàn có thể truyền nguồn năng lượng liên tục đến máy được tăng trưởng vào năm 1712 bởi Thomas Newcomen. James Watt đã thực thi một nâng cấp cải tiến quan trọng bằng cách vô hiệu hơi nước đã qua sử dụng sang một bình riêng để ngưng tụ, cải tổ đáng kể lượng việc làm thu được trên mỗi đơn vị chức năng nguyên vật liệu tiêu thụ. Đến thế kỷ 19, động cơ hơi nước đứng yên cung ứng nguồn năng lượng cho những nhà máy sản xuất của Cách mạng Công nghiệp. Động cơ hơi nước sửa chữa thay thế buồm cho tàu, và đầu máy hơi nước hoạt động giải trí trên đường tàu .Các động cơ hơi nước tiên phong được sử dụng như thể bộ phận hoạt động sơ cấp của bơm, đầu máy tàu hỏa, tàu thủy hơi nước, máy cày, xe tải và những loại xe cơ giới chạy trên đường đi bộ khác và là nền tảng cơ bản nhất cho Cách mạng công nghiệp. Động cơ hơi nước kiểu pittông là nguồn nguồn năng lượng tiêu biểu vượt trội cho đến đầu thế kỷ 20, khi những tân tiến trong phong cách thiết kế động cơ điện và động cơ đốt trong từ từ dẫn đến việc thay thế sửa chữa động cơ hơi nước pittông ( pittông ) trong sử dụng thương mại. Tua bin hơi thay thế sửa chữa động cơ pittông trong sản xuất điện, do ngân sách thấp hơn, vận tốc quản lý và vận hành cao hơn và hiệu suất cao cao hơn. [ 2 ]
Các thí nghiệm khởi đầu[sửa|sửa mã nguồn]
” Động cơ ” chạy bằng hơi nước thô sơ tiên phong được ghi nhận là aeolipile được miêu tả bởi Hero thành Alexandria, một nhà toán học và kỹ sư ở Ai Cập La Mã vào thế kỷ thứ nhất Công nguyên. [ 3 ] Trong những thế kỷ tiếp theo, 1 số ít ” động cơ ” chạy bằng hơi nước được biết đến, như aeolipile, [ 4 ] về cơ bản là những thiết bị thử nghiệm được những nhà phát minh sử dụng để chứng tỏ đặc thù của hơi nước. Một thiết bị tuabin hơi thô sơ được miêu tả bởi Taqi al-Din [ 5 ] ở Ottoman Ai Cập năm 1551 và bởi Giovanni Branca [ 6 ] ở Ý vào năm 1629. Jerónimo de Ayanz y Beaumont đã nhận được bằng bản quyền sáng tạo vào năm 1606 cho 50 phát minh chạy bằng hơi nước, gồm có một máy bơm nước để thoát những mỏ ngập nước. [ 8 ] Denis Papin, một người tị nạn Huguenot, đã thực thi 1 số ít việc làm có ích trên máy đào hơi nước vào năm 1679, và lần tiên phong sử dụng một pít-tông để tăng khối lượng vào năm 1690 .
Động cơ bơm[sửa|sửa mã nguồn]
Thiết bị chạy bằng hơi nước thương mại tiên phong là máy bơm nước, được tăng trưởng vào năm 1698 bởi Thomas Savery. [ 10 ] Nó đã sử dụng hơi nước ngưng tụ để tạo ra một khoảng chừng chân không làm tăng nước từ bên dưới và sau đó sử dụng áp suất hơi để nâng cao hơn. Động cơ nhỏ có hiệu suất cao mặc dầu quy mô lớn hơn có yếu tố. Chúng có chiều cao nâng hạn chế và dễ bị nổ nồi hơi. Động cơ của Savery đã được sử dụng trong những mỏ, trạm bơm và cung ứng nước cho những bánh xe nước chạy bằng máy dệt. [ 11 ] Động cơ của Savery có ngân sách thấp. Bento de Moura Portugal đã ra mắt một nâng cấp cải tiến về loại sản phẩm của Savery ” để làm cho nó có năng lực tự hoạt động giải trí “, như được diễn đạt bởi John Smeaton trong những Giao dịch triết học được xuất bản năm 1751. [ 12 ] Nó liên tục được sản xuất cho đến cuối thế kỷ 18. Một động cơ dạng này vẫn còn hoạt động giải trí vào năm 1820. [ 14 ]
Động cơ hơi nước piston[sửa|sửa mã nguồn]
Động cơ hơi nước Jacob Leupold 1720
Động cơ thành công xuất sắc về mặt thương mại tiên phong hoàn toàn có thể truyền nguồn năng lượng liên tục đến máy là động cơ khí quyển, được phát minh bởi Thomas Newcomen vào khoảng chừng năm 1712. [ b ] low [ c ] Nó đã nâng cấp cải tiến trên máy bơm hơi của Savery, sử dụng pít-tông như Papin yêu cầu. Động cơ của Newcomen tương đối kém hiệu suất cao và đa phần được sử dụng để bơm nước. Nó hoạt động giải trí bằng cách tạo ra một phần chân không bằng cách ngưng tụ hơi nước dưới một pít-tông trong một xi-lanh. Nó được sử dụng để làm hết sạch những hoạt động giải trí của mỏ ở độ sâu cho đến nay không hề, và để phân phối nước hoàn toàn có thể tái sử dụng để lái những vòi nước tại những xí nghiệp sản xuất nằm cách xa một ” đầu ” thích hợp. Nước chảy qua bánh xe được bơm lên một bể chứa phía trên bánh xe. [ 18 ] Năm 1780 James Pickard đã cấp văn bằng bản quyền trí tuệ cho việc sử dụng bánh đà và trục khuỷu để phân phối hoạt động quay từ động cơ Newcomen nâng cấp cải tiến .Năm 1720 Jacob Leupold đã miêu tả một động cơ hơi nước áp suất cao hai xi-lanh. [ 20 ] Phát minh này đã được xuất bản trong tác phẩm lớn của mình ” Dramri Machinarum thủy lực “. [ 21 ] Động cơ đã sử dụng hai piston nặng để phân phối hoạt động cho máy bơm nước. Mỗi pít-tông được nâng lên bằng áp suất hơi và trở lại vị trí bắt đầu bằng trọng tải. Hai piston san sẻ một van xoay bốn chiều chung được liên kết trực tiếp với nồi hơi .
Động cơ bơm ban đầu của Watt
Bước quan trọng tiếp theo xảy ra khi James Watt tăng trưởng ( 1763 – 1775 ) một phiên bản nâng cấp cải tiến của động cơ Newcomen, với một bộ ngưng tụ riêng. Các động cơ bắt đầu của Boulton và Watt đã sử dụng một nửa lượng than so với phiên bản nâng cấp cải tiến của Newcomen của John Smeaton. [ 22 ] Động cơ khởi đầu của Newcomen và Watt là ” khí quyển “. Chúng được cung ứng nguồn năng lượng bằng áp suất không khí đẩy pít-tông vào chân không một phần được tạo ra bằng cách ngưng tụ hơi nước, thay vì áp suất của hơi nước co và giãn. Các xi lanh động cơ phải lớn vì lực duy nhất hoàn toàn có thể sử dụng ảnh hưởng tác động lên chúng là áp suất khí quyển. [ 23 ]Watt đã tăng trưởng động cơ của mình hơn nữa, sửa đổi nó để cung ứng một hoạt động quay tương thích với máy móc lái xe. Điều này được cho phép những nhà máy sản xuất được đặt cách xa những con sông và đẩy nhanh quy trình tiến độ của Cách mạng Công nghiệp. [ 24 ] [ 25 ]
Động cơ áp suất cao[sửa|sửa mã nguồn]
Ý nghĩa của áp suất cao, cùng với giá trị thực tiễn trên môi trường tự nhiên xung quanh, phụ thuộc vào vào thời đại mà thuật ngữ này được sử dụng. Để sử dụng sớm thuật ngữ Van Reimsdijk [ 26 ] nghĩa là hơi nước ở áp suất đủ cao đến mức nó hoàn toàn có thể bị hết sạch trong khí quyển mà không cần dựa vào chân không để cho phép nó triển khai việc làm hữu dụng. Ewing 1894 Lỗi harv : không có tiềm năng : CITEREFEwing1894 ( trợ giúp ) công bố rằng động cơ ngưng tụ của watt được biết đến vào thời gian đó là áp suất thấp so với động cơ không ngưng tụ áp suất cao, cùng thời .Bằng sáng chế của Watt đã ngăn cản những người khác sản xuất động cơ hỗn hợp và áp suất cao. Ngay sau khi bằng bản quyền sáng tạo của Watt hết hạn vào năm 1800, Richard Trevithick và, riêng rẽ, Oliver Evans vào năm 1801 [ 27 ] [ 28 ] đã trình làng những động cơ sử dụng hơi nước áp suất cao ; Trevithick có được văn bằng bản quyền trí tuệ động cơ áp suất cao vào năm 1802, [ 29 ] và Evans đã thực thi 1 số ít quy mô thao tác trước đó. [ 30 ] Chúng mạnh hơn nhiều so với kích cỡ xi lanh nhất định so với những động cơ trước đó và hoàn toàn có thể được sản xuất đủ nhỏ cho những ứng dụng luân chuyển. Sau đó, sự tăng trưởng công nghệ tiên tiến và nâng cấp cải tiến trong kỹ thuật sản xuất ( một phần do việc sử dụng động cơ hơi nước làm nguồn nguồn năng lượng ) dẫn đến việc phong cách thiết kế những động cơ hiệu suất cao hơn hoàn toàn có thể nhỏ hơn, nhanh hơn hoặc mạnh hơn, tùy thuộc vào ứng dụng dự tính .Động cơ Cornish được Trevithick và những người khác tăng trưởng vào những năm 1810. Đó là một động cơ quy trình hỗn hợp sử dụng hơi nước áp suất cao một cách thoáng đãng, sau đó ngưng tụ hơi áp suất thấp, làm cho nó tương đối hiệu suất cao. Động cơ Cornish có hoạt động và mô-men xoắn không đều trong chu kỳ luân hồi, hạn chế việc sử dụng của nó đa phần chỉ để bơm. Động cơ Cornish được sử dụng trong những mỏ và để cung ứng nước cho đến cuối thế kỷ 19 .
Động cơ nằm ngang[sửa|sửa mã nguồn]
Những người đầu tiên chế tạo động cơ hơi nước đứng yên cho rằng xi lanh nằm ngang sẽ bị hao mòn quá mức. Động cơ của họ do đó được bố trí với trục piston thẳng đứng. Theo thời gian, sự sắp xếp theo chiều ngang trở nên phổ biến hơn, cho phép các động cơ nhỏ gọn nhưng mạnh mẽ được trang bị trong các không gian nhỏ hơn.
Động cơ nằm ngang tiên phong là động cơ hơi nước Corliss, được cấp bằng bản quyền sáng tạo vào năm 1849, là động cơ dòng chảy bốn van với cửa nạp hơi và van xả riêng không liên quan gì đến nhau và tự động hóa ngắt hơi. Khi Corliss được trao Huân chương Rumford, ủy ban đã nói rằng ” không ai phát minh từ thời của Watt đã tăng cường hiệu suất cao của động cơ hơi nước nhiều như vậy “. [ 33 ] Ngoài việc sử dụng hơi nước ít hơn 30 %, nó cung ứng vận tốc đồng đều hơn do cắt hơi nước đổi khác, làm cho nó tương thích với sản xuất, đặc biệt quan trọng là kéo sợi bông. [ 34 ]
Phương tiện giao thông vận tải đường đi bộ[sửa|sửa mã nguồn]
Đầu máy xe lửa chạy bằng hơi nước của Anh
Những chiếc xe chạy bằng hơi nước thử nghiệm tiên phong được sản xuất vào cuối thế kỷ 18, nhưng mãi đến sau khi Richard Trevithick tăng trưởng việc sử dụng hơi nước áp suất cao, khoảng chừng năm 1800, động cơ hơi nước di động mới trở thành một yêu cầu thiết thực. Nửa đầu thế kỷ 19 đã tận mắt chứng kiến sự tân tiến lớn trong phong cách thiết kế xe hơi, và đến những năm 1850, nó đã trở nên khả thi để sản xuất chúng trên cơ sở thương mại. Tiến trình này đã bị nản chí bởi lao lý hạn chế hoặc cấm sử dụng phương tiện đi lại chạy bằng hơi nước trên đường. Những nâng cấp cải tiến trong công nghệ tiên tiến xe cộ liên tục từ những năm 1860 đến những năm 1920. Xe đường hơi đã được sử dụng cho nhiều ứng dụng. Trong thế kỷ 20, sự tăng trưởng nhanh gọn của công nghệ tiên tiến động cơ đốt trong đã dẫn đến sự sụp đổ của động cơ hơi nước như thể một nguồn lực đẩy của những phương tiện đi lại thương mại, với số lượng còn lại ít được sử dụng sau Chiến tranh quốc tế thứ hai. Nhiều trong số những chiếc xe này đã được mua lại bởi những người đam mê để dữ gìn và bảo vệ, và nhiều ví dụ vẫn còn sống sót. Vào những năm 1960, những yếu tố ô nhiễm không khí ở California đã phát sinh một thời hạn ngắn chăm sóc đến việc tăng trưởng và nghiên cứu và điều tra những phương tiện đi lại chạy bằng hơi nước như một phương tiện đi lại khả thi để giảm ô nhiễm. Ngoài sự chăm sóc của những người đam mê hơi nước, những xe sao chép công nghệ tiên tiến cũ và công nghệ tiên tiến thử nghiệm, hiện tại không có chiếc xe hơi nào dạng này được sản xuất .
Động cơ hàng hải[sửa|sửa mã nguồn]
Gần cuối thế kỷ 19, động cơ hỗn hợp được sử dụng thoáng rộng. Động cơ hỗn hợp hút hết hơi vào những xi lanh lớn hơn liên tục để tương thích với khối lượng cao hơn ở áp suất giảm, mang lại hiệu suất cao cải tổ. Các tiến trình này được gọi là lan rộng ra, với những động cơ lan rộng ra gấp đôi và gấp ba là phổ cập, đặc biệt quan trọng là trong luân chuyển trong đó hiệu suất cao là rất quan trọng để giảm khối lượng than mang theo. Động cơ hơi nước vẫn là nguồn nguồn năng lượng thống trị cho đến đầu thế kỷ 20, khi những văn minh trong phong cách thiết kế tuabin hơi, động cơ điện và động cơ đốt trong từ từ dẫn đến việc thay thế sửa chữa động cơ hơi nước pittông, với việc luân chuyển trong thế kỷ 20 dựa vào tua bin hơi nước. [ 2 ]
Đầu máy hơi nước[sửa|sửa mã nguồn]
Hình ảnh cổ điển của tàu hơi nước
Khi sự tăng trưởng của động cơ hơi nước tăng trưởng trong suốt thế kỷ 18, nhiều nỗ lực đã được triển khai để vận dụng chúng vào sử dụng đường đi bộ và đường tàu. Năm 1784, William Murdoch, một nhà phát minh người Scotland, đã sản xuất một đầu máy xe lửa hơi nước nguyên mẫu. [ 36 ] Một quy mô hoạt động giải trí khởi đầu của đầu máy xe lửa hơi nước được phong cách thiết kế và sản xuất bởi nhà tiên phong tàu hơi nước John Fitch ở Hoa Kỳ có lẽ rằng trong những năm 1780 hoặc 1790. [ 37 ] Đầu máy hơi nước của anh sử dụng bánh xe có cánh bên trong được dẫn hướng bởi đường ray .Đầu máy xe lửa hơi nước thao tác quy mô không thiếu tiên phong được sản xuất bởi Richard Trevithick ở Vương quốc Anh và vào ngày 21 tháng 2 năm 1804, hành trình dài đường tàu tiên phong của quốc tế đã diễn ra khi đầu máy hơi nước không tên của Trevithick kéo một chuyến tàu dọc theo đường xe điện từ Pen-y-darren xưởng sắt, gần Merthyr Tydfil đến Abercynon ở miền nam xứ Wales. [ 38 ] [ 39 ] Thiết kế tích hợp một số ít nâng cấp cải tiến quan trọng gồm có sử dụng hơi nước áp suất cao giúp giảm khối lượng của động cơ và tăng hiệu suất cao của nó. Trevithick đã đến thăm khu vực Newcastle sau đó vào năm 1804 và đường sắt xe lửa ở đông bắc nước Anh trở thành TT số 1 để thử nghiệm và tăng trưởng đầu máy hơi nước. [ 40 ]
Trevithick tiếp tục các thí nghiệm của riêng mình bằng cách sử dụng bộ ba đầu máy xe lửa, kết thúc với Catch Me Who Can vào năm 1808. Chỉ bốn năm sau, đầu máy xe lửa hai xi-lanh thành công Salamanca của Matthew Murray đã được sử dụng bởi giá đỡ cạnh và bánh răng đường sắt Middleton.[41] Năm 1825, George Stephenson đã xây dựng Đầu máy xe lửa cho Đường sắt Stockton và Darlington. Đây là tuyến đường sắt hơi nước công cộng đầu tiên trên thế giới và sau đó vào năm 1829, ông đã xây dựng The Rocket được nhập vào và giành chiến thắng trong các thử nghiệm Rainhill.[42] Đường sắt Liverpool và Manchester khai trương vào năm 1830, sử dụng năng lượng hơi nước độc quyền cho cả tàu chở khách và tàu chở hàng.
Đầu máy xe lửa hơi nước liên tục được sản xuất cho đến cuối thế kỷ XX ở những nơi như Trung Quốc và Đông Đức cũ ( nơi sản xuất DR Class 52,80 ). [ 43 ]
Tuabin hơi nước[sửa|sửa mã nguồn]
Sự tăng trưởng lớn ở đầu cuối của phong cách thiết kế động cơ hơi nước là việc sử dụng tua-bin hơi nước mở màn từ cuối thế kỷ 19. Tua bin hơi nói chung hiệu suất cao hơn so với động cơ hơi kiểu pittông ( so với hiệu suất trên vài trăm mã lực ), có ít bộ phận hoạt động hơn và phân phối nguồn năng lượng quay trực tiếp thay vì trải qua mạng lưới hệ thống thanh nối hoặc phương tiện đi lại tương tự như. [ 44 ] Tua bin hơi phần nhiều sửa chữa thay thế động cơ pittông trong những trạm phát điện vào đầu thế kỷ 20, trong đó hiệu suất cao của chúng, vận tốc cao hơn tương thích với dịch vụ máy phát điện và quay trơn tru là những lợi thế. Ngày nay hầu hết nguồn năng lượng điện được cung ứng bởi tua bin hơi nước. Tại Hoa Kỳ, 90 % nguồn năng lượng điện được sản xuất theo cách này sử dụng nhiều nguồn nhiệt khác nhau. [ 2 ] Tua bin hơi được vận dụng thoáng đãng cho lực đẩy của những tàu lớn trong suốt phần đông thế kỷ 20 .
Cấu tạo động cơ hơi nước[sửa|sửa mã nguồn]
Một động cơ hơi nước cần một nồi hơi súp de để đun nước sôi tạo hơi. Việc co và giãn của hơi tạo một lực đẩy lên piston hay những cánh tuốc bin và hoạt động thẳng được chuyển thành hoạt động quay để quay bánh xe hay truyền động cho những bộ phận cơ khí khác. Một trong những lợi thế của động cơ hơi nước là nó hoàn toàn có thể sử dụng bất kể nguồn nhiệt nào để đun nồi hơi nhưng những loại nguồn nhiệt thông dụng nhất là đun củi, than đá hay dầu hay sử dụng hơi nhiệt năng thu được từ lò phản ứng hạt nhân .Động cơ hơi nước sở dĩ hoàn toàn có thể quản lý và vận hành được là do dựa vào sức mạnh của hơi nước làm máy hoạt động giải trí. Chúng ta lúc thường ngày đều đã từng đun nước sôi, khi nước trong ấm sôi bồng lên, tất cả chúng ta liền phát hiện thấy có hơi nước bay ra. Sức mạnh của những hơi nước này là rất lớn, hoàn toàn có thể đẩy bật nắp ấm. Nếu như đổi khác một chút ít, dùng nồi thật to để đun nước, thì sức mạnh của hơi nước càng lớn. Khi nước khởi đầu bốc hơi, nếu tất cả chúng ta dẫn nó vào trong lỗ nhỏ, ví dụ như một đường ống, rồi lại để nó bốc hơi lên xung lực của nó sẽ càng can đảm và mạnh mẽ, đủ để làm cho máy móc quản lý và vận hành. Động cơ hơi nước chính là tận dụng nguyên tắc này, cho đến ngày này, đầu máy hơi nước và máy điện báo vẫn được quản lý và vận hành bằng hơi nước .
- ^ This Model was built by Samuel Pemberton between 1880 – 1890 .
- ^
Landes refers to Thurston’s definition of an engine and Thurston’s calling Newcomen’s the “first true engine.”
- ^ Landes refers to Thurston’s definition of an engine and Thurston’s calling Newcomen’s the ” first true engine. ”
Một mô hình của một động cơ beam có liên kết song song của James Watt cho dẫn động kép. [a]
Một đầu máy hơi nước từ Đông Đức. Lớp động cơ này được chế tạo vào năm 1942-1950 và hoạt động cho đến năm 1988.
