Парова машина: Відсікання, Розширення та Діаграма P-V

Парові циліндри, що штовхають поршень, і нічого більше

Видаляючи крильчаток та вишукані литині, отримуємо парову машину: дозвольте високожимному пару розширюватися проти поршня, перетворюючи прямий рух в обертання за допомогою механізму шатуна-кривошипного валу. Ковзатний клапан, що приводиться в дію від того ж кривошипного вала через екцентр, регулює час надходження пари кожним боком циліндра та час випускання пари – така ж функція у каландрових клапанів автомобіля, але виконується за допомогою ковзаючого блоку замість клапанів-поппотів.

Обертання кривошипного вала є найкращим місцем для спостереження за ритмом всієї машини: прямий рух поршня точно відображається на обертанні кривошипного валу, подібно до того, як масштабована орбіта відображає фазову кут до положення. А flywheel існує лише для згладжування імпульсів крутного моменту, які виробляє односторонній поршень один раз на обертання.

Cutoff: stop admitting steam early, let it do more work expanding

The single biggest efficiency lever on a steam engine is cutoff – the crank angle at which the valve shuts off the supply of fresh steam, well before the piston reaches the end of its stroke. After cutoff the trapped steam keeps pushing the piston as it expands, dropping in pressure as it does work, instead of being let in at full boiler pressure for the whole stroke. Early cutoff (say 25% of the stroke) extracts more work per kilogram of steam and is more thermally efficient, at the cost of lower torque at that instant; late cutoff gives brute torque for starting or hill-climbing but wastes steam. This is exactly the trade a driver makes today between an efficient light throttle and a torque-hungry full one.

Reading the PV indicator diagram

James Watt's indicator -- a pen linked to the piston that traces pressure against volume on a rotating drum -- turns one engine cycle into a closed loop on a P-V plot, and the area enclosed by that loop is the work done per cycle. A idealized cutoff-and-expansion cycle traces four legs: admission at roughly constant pressure up to cutoff, adiabatic-ish expansion as the valve closes and pressure falls with rising volume, exhaust as pressure drops to the condenser or atmosphere, and compression of the trapped residual steam back up before the cycle repeats.

indicated work / cycle = ∮ P dV      (area inside the P-V loop)
indicated power        = work/cycle × cycles/second
thermal efficiency     = work out / heat supplied by the boiler

Чому реальний цикл відстає від ідеалу

Ідеалізований цикл типу Ранкін-Грі не передбачає миттєвого, без втрат надходження та ідеально адіабатичного розширення; справжній поршневий двигун з регувальним клапаном втрачає позиції в обох аспектах. Клапан витрачає час на відкриття та закриття, тому надходження та відведення пари ніколи не є абсолютно точними на діаграмі покажчика – це клапанне регулювання. Стіни циліндра поглинають тепло, що надходить від пари, на ранніх стадіях ходу, і повертають його більш прохолодній вихідній парі пізніше, паразитна передача тепла, яка називається конденсацією циліндрів – один із основних факторів, що призвели до використання складних двигунів (розширення пари через два або три циліндри, що збільшуються в розмірах послідовно та працюють при прогресivamente нижчих тиску), оскільки розподіл тиску між стадіями зменшує температуру ходу кожного циліндра і значно знижує ці втрати.

From indicator diagram to horsepower

Multiply the mean effective pressure (the loop's enclosed area divided by the stroke volume) by the piston area, the stroke length, and the number of power strokes per unit time, and you get indicated horsepower -- the textbook definition James Watt himself devised to compare his engines against a working horse. Subtract friction and pumping losses and you get brake horsepower, what actually reaches the flywheel and the load.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Steam Engine і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.