Silnik parowy - inaczej parowy silnik tłokowy, lub silnik cieplny. Wewnętrzna energia rozprężającej się pary wodnej zamienia się w nim w pracę mechaniczną za pomocą tłoka przemieszczającego się ruchem posuwisto-zwrotnym w cylindrze, gdzie się z zewnątrz doprowadzana pod ciśnieniem jest parę wyprodukowana wcześniej w osobnym kotle.

Wyróżniamy silniki o funkcjonowaniu jednostronnym, dwustronnym a także o pojedynczym lub kilkakrotnym rozprężaniu pary.

Silnik parowy - historia

W dzisiejszych czasach silniki parowe produkują sporą ilość wykorzystywanej przez nas energii. Także największe technologicznie reaktory jądrowe niestety tylko źródłami ciepła, które zamieniają wodę w parę, która wprawia w ruch turbiny napędzające generatory prądu.

Pierwszą maszynę parową skonstruowano w I wieku n.e. Wynalazcą jej był grecki uczony Herona z Aleksandrii. Maszyna przedstawiała wydrążoną kulę, która zawieszona była na dwóch rurkach , które następnie doprowadzają parę do niej z kotła. Para napełniała kulę a następnie wydostawała się przez dwie inne, konkretnie wykręcone otwarte rurki wyprowadzone z przeciwległych stron kuli. Strumienie wydostającej się pary sprawiały, iż kula wirowała z ogromną prędkością. Mimo tego iż ta pierwsza turbina parowa jest bardzo ciekawa, nie znaleziono dla niej praktycznego wykorzystania.

Anglik, Thomas Savery, w 1698 roku skonstruował maszynę, w której para chłodzona była w zamkniętym pojemniku aż do momentu kondensacji (skroplenia). Ciecz, jak wiemy, zajmuje znacznie mniejszą powierzchnię w porównaniu gazem, który z niej powstaje, to w czasie tego procesu produkowało się duże podciśnienie, które znalazło wykorzystanie w zasysaniu wody z kopalniach.

Maszyna tłokowa

Inny Anglik Thomas Newcomen, skonstruował w 1710 roku maszynę para, która podnosiła tłok w środku cylindra. Później cylinder chłodzono, by uzyskać kondensację pary, co następnie powodowało, że ciśnienie w środku cylindra malało cylindra tak bardzo, iż zewnętrzne ciśnienie atmosferyczne spowodowało z powrotem ruch tłoka w dół. Właśnie to było powodem nazwania tej maszyny "atmosferyczną". Stosowało się ją do napędu pomp, które wypompowywały wodę z kopalń. Mimo tego, że maszyna ta była porządniejsza od maszyny Savery'ego, i tak była zbyt wolna oraz nieefektywna. Wynikało to z tego, iż po ochłodzeniu, ale jeszcze przed napełnieniem nową parą, cylinder wymagał kolejnego rozgrzania. W przeciwnym razie para skraplałaby się od razu, zamiast przesuwać tłok ku górze.

Silnik Watta

Szkockiego inżynier James Watt rozwikłał ten dylemat. W silniku zbudowanym prze niego w 1769, para gromadziła się nie w cylindrze ale w odosobnionym zbiorniku. Silnik nie był przemiennie rozgrzewany i chłodzony, co powodowało bardzo małe ubytki ciepła w silniku. Silnik Watta był zdecydowanie szybszy od wcześniejszego modelu, ponieważ kolejną porcję parę można było wpuścić do cylindra w momencie, gdy tłok uzyskał wyjściowe położenie. To ale i wiele jeszcze innych kwestii sprawiły, że maszyna parowa maszyna jest przydatna i wykorzystywana w różnych dziedzinach.

Lokomotywy parowe, w epoce wiktoriańskiej, zrewolucjonizowały transport lądowy. Oprócz tego silniki parowe wprawiały w ruch maszyny drukarskie, przędzalnie, tkalnie oraz maszyny pralnicze w "pralniach parowych". Dzięki maszynom tym kręcił się karuzele w wesołych miasteczkach, oraz liczni farmerzy wykorzystywali energie pary do prac polowych. Używano napędzanych parą odkurzaczy, były także parowe maszyny do masażu skóry głowy, lokowane w bardzo eleganckich zakładach fryzjerskich

Ruch obrotowy w silnikach

Na początku w silnikach parowych tłok poruszał się w cylindrze ruchem posuwisto-zwrotnym, który trzeb było mechanicznie zastępować ruchem obrotowym. Turbiny parowe dają możliwość ominąć ten problem, ponieważ para znajdująca się w nim obraca wirnik. Pierwsze doświadczenia z turbinami parowymi dokonywano w początkach XIX wieku. Sprawnie działające urządzenie zbudowano zaledwie w 1884 roku. Skonstruowane ono zostało również przez Anglika, Charlesa Parsonsa. Kilka lat później po skonstruowaniu prototypu, turbiny Parsonsa wprawiają w ruch generatory prądu i obracały śrubami parowców.

Zamiana energii

Silniki ale także i turbiny parowe przemieniają energię cieplną w energię mechaniczną. Ciepło, które wydobywa się w procesie spalania paliwa stosowane jest do gotowania wody, która zamienia się w parę i w związku z tym objętość paty wzrasta 1600 razy. Sprężona para akurat powoduje ruch. W silnikach tłokowych rozprężając się przesuwa tłok w cylindrze, w turbinach natomiast uderzając w łopatki obraca wirniki. W obu tych możliwościach rozprężając się traci swoją energię.

Wszelkie maszyny parowe, podobnie jak tłokowe oraz turbiny, są silnikami o spalaniu zewnętrznym, ponieważ energia cieplna jest otrzymywana na zewnątrz silnika. Para otrzymywana jest w kotłach opalanych węglem, gazem lub ropą. W elektrowniach jądrowych ciepło, które jest konieczne do wyrobu pary otrzymywana jest z reakcji jądrowych.

Działanie podwójne silników

W nieskomplikowanym silniku parowym ciśnienie pary wprawia tłok w ruch działając na niego z jednej tylko strony. Natomiast w złożonych urządzeniach obie strony tłoka wykorzystuje się do wyrobu energii mechanicznej. Na początku parę wprowadza się z jednej strony tłoka, by poruszyła nim do przodu. Później para wprowadzana jest z drugiej strony, co sprawia powrotny ruch tłoka. I właśnie dlatego silniki takie nazwane zostały silnikami o podwójnym działaniu.

Wszystko zaczyna się, gdy para zostaje wprowadzana z jednej strony cylindra przez zawór wlotowy. Zawór ten się później zamyka, natomiast para rozprężając się przesuwa tłokiem do przodu. Następnie wypuszcza się ją przez taki sam zawór tylko, że po drugiej stronie cylindra, przepychając tłok w tył. Równocześnie rozprężona para z przeciwnej strony wydostaje się na zewnątrz przez otwarty zawór wylotowy. Parę doprowadza się przemiennie do każdej ze stron cylindra, ale strona przeciwna samoczynnie podłączana jest do kanału wylotowego.

Najwięcej jest silników, gdzie wlot jak i wylot pary jest przez pojedynczy zawór suwakowy. Poruszając się w przód i w tył tłok łączy konkretną część cylindra przemiennie raz z wlotem, raz z wylotem pary. W kilku ogromnych silnikach wykorzystuje osobne zawory z każdej strony tłoka.

Mechanizm korbowy

Posuwisto-zwrotny ruch tłoka zmienia się w ruch obrotowy dzięki mechanizmowi korbowemu. Ramię, w tym przypadku, przymocowane jest do ciężkiego koła zamachowego oraz złączone jest z tłokiem przy użyciu korbowodu. Razem z ruchem tłoka w przód i w tył mechanizm korbowy kręci kołem zamachowym, którego duży moment bezwładności zezwala na utrzymanie stałej prędkości obrotowej bez względu od fazy ruchu tłoka.

W czasie rozprężania pary wodnej w cylindrze maleje temperatura. Takie samo zjawisko zauważyć można w czasie rozpylani aerozolu. Szybkie rozprężanie gazu sprawia, że następuje jego ochłodzenie. W głównych typach silnika dwustronnego działania cylinder jest chłodzony zaraz przed wprowadzeniem pary z drugiej strony.

Jeśli zmiana ciśnienia pary w cylindrze jest duża, to połączone z nią chłodzenie tłoka oraz ścian cylindra jest skutkiem dużych straty ciepła w silniku. Da się je wyrównać trzeba tylko zużyć dużo paliwa, ale to zmniejsza sprawność silnika. Zmianę temperatury w silniku da się również zmniejszyć nie doprowadzając do poważnego rozprężania pary w środku cylindra. To natomiast obniża moc urządzenia.

Silniki sprzężone

Dylemat tan rozwiązuje się w następujący sposób, najpierw należy rozprężyć parę w nie dużym cylindrze wysokociśnieniowym, później dopiero w dużym cylindrze niskociśnieniowym. Silniki parowe, w których para rozpręża się w dwóch lub więcej cylindrach, nazywa się sprzężonymi. Silniki potrójnie sprzężone złożone są na przykład z cylindra wysoko, pośrednio lub niskociśnieniowego. Silniki tego typu wykorzystywane były często na statkach, kilka niemieckich jednostek napędzane były przez silniki nawet czterostopniowe.

Silniki przelotowe

Silniki przelotowe zbudowano by zminimalizować ubytki ciepła poprzez zmniejszenie zmian temperatury w cylindrze. Para wpuszczana z jednego końca rozpręża się poruszając tłok, który następnie pod koniec ruchu odsłania położony po środku otwór wylotowy. Rozprężona para wychodzi akurat tamtędy, nie natomiast otworem wlotowym. Cylinder zostaje ciepły na obu końcach oraz chłodny po środku, gdzie ma styczność z rozprężaną parą. Nie ma takiej części cylindra, która nie była by narażona przy tym na duże skoki temperatury, co zmniejsza straty.

Turbiny parowe

Główną częścią roboczą turbiny jest wirnik, jest on umiejscowiony nad łopatkami. Umieszczony jest on w środku obudowy, do niego przymocowane są łopatkami ze stałymi ukierunkowującymi przepływ strumienia pary. Wirnik obracany jest przez parę o wysokim ciśnieniu, która uderza w łopatki.

Para przedostaje się do środka obudowy turbiny dyszami. Tam rozpręża się, z szybko powiększając swoją objętość. Równocześnie cząsteczki pary zdobywają ogromną prędkość, która jest w stanie przekroczyć kilkakrotnie prędkość dźwięku. I tak na przykład podczas rozprężania od ciśnienia 12 atmosfer do pół atmosfery para osiąga prędkość około 1100m/s.

Turbiny okrętowe

Na przykład na statkach turbina parowa napędza generator, która zasila silniki elektryczne, które z kolei napędzą śrubą napędową. Na innych turbinach napędza się śrubę przy pomocy przekładni mechanicznych redukujących jej dużą prędkość. Śruba musi kręcić się względnie powoli aby dobrze napędzać statek.

Natomiast na dużych jednostkach w zamian jednej dużej turbiny zakładane są obok siebie dwie mniejsze, które są połączone z tym samym źródła pary. Jest to jeden ze sposobów na obniżenie wymiarów silnika, taką turbinę nazwano dwu wałową.

Elektrownie

W elektrowniach duże turbiny parowe napędzają generatory. Na ogół przy mocach do 300 MW zespól wirników umieszczonych na jednym wale napędza jeden generator. Natomiast przy wyższych mocach jedna wieloczłonowa turbina dwu wałowa napędza osobne generatory.

Generatory produkują prąd przemienny. Jest to taki prąd, którego kierunek przepływu zmienia się wielokrotnie w ciągu jednej sekundy.