Суббота, 24.06.2017, 05:01
Приветствую Вас Гость | RSS
Четырнадцатая олимпиада посвящена 100-летию выдающегося советского авиаконструктора Р.Е.Алексеева
QR-код сайта
Форма входа
...
Главное меню
ОБЩАЕМСЯ
Архив
...
Грант Президента
Поиск
Система Orphus
Главная » Статьи » Архив работ » Одиннадцатая олимпиада (2013/14 уч.год)

Какую роль в истории авиации сыграл паровой двигатель?

Имя: Панин Сергей Игоревич
Возраст: 16

 

Место учёбы: г. Сердобск , школа№10

 

Город: Сердобск
Руководитель:(Ф.И.О.,место работы) Ковальский Станислав Владиславович педагог дополнительного образования авиамодельного объединения "Вираж"города Сердобска.
Историко-исследовательская работа по теме:какую роль в истории авиации сыграл паровой двигатель?

 


                                                                        План.
1.Значение паровых машин
2.Принцип действия
3.Изобретение и развитие
4.Паровые турбины
5.Преимущества паровых машин
6.Первые самолеты с паровым двигателем
7.Заключение



Введение:
Я решил взять тему : "Какую роль в истории авиации сыграл паровой двигатель?", потому что тема очень интересна , и мне захотелось по больше узнать о паровых двигателях .

Цель: показать применение паровых двигателей в самолетостроении на первых порах развития.

Значение паровых машин:

Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Поздние паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами и электромоторами.
Паровые турбины являющиеся разновидностью паровых машин, до сих пор широко используются в качестве приводов генераторов электроэнергии. Примерно 86 % электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с использованием паровых турбин.

Принцип действия:

Для привода паровой машины необходим паровой котёл, в котором пар расширяется и давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям. Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива — от кизяка до урана.

Изобретение и развитие:

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял его вращаться. Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским философом, астрономом и инженером XVI века Таки ад-Дином Мухаммедом. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.
Однако дальнейшее развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики двигателей могли бы воспользоваться их результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения. Первая машина была создана испанским изобретателем Иеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т. Севери. Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 году англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 году он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан. Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной. Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-х в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 году создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала, как демонстрационная модель, но для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла, проложив таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. Однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил. Папен также проектировал лодку, приводимую в движение колесом с реактивной силой в комбинации концепций Таки ад-Дина и Севери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.
Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Севери в 1698 году. На своё устройство Севери в 1698 году получил патент. Это был поршневой паровой насос, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы двигателя иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его «другом рудокопа».
Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Именно двигатель Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение, с которым принято связывать начало промышленной революции в Англии.
Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.
Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления. Тревитик успешно построил промышленные однотактные двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм, или 345 кПа. Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования. Французский изобретатель Николя-Жозеф Кюньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией и Берлингтоном. Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7—8 узлов. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком.

Паровые турбины

 

 


Основная статья: Паровая турбина
Паровая турбина представляет собой барабан либо серию вращающихся дисков, закреплённых на единой оси, их называют ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закреплённых на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в неё подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии. Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса.
Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания.
Основной сферой применения паровых турбин является выработка электроэнергии, кроме того, они часто используются в качестве судовых двигателей. Было также построено некоторое количество паротурбовозов, но они не получили широкого распространения и были быстро вытеснены тепловозами и электровозами.


Преимущества паровых машин :

Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины. Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового Океана на разных глубинах.
Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга, которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.
Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов.
В Швейцарии и в Австрии новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) 1930-х годов, со множеством современных усовершенствований, таких, как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т. д. В результате такие паровозы имеют на 60 % меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами.
Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса. При этом паровая машина паровоза продолжает развивать тяговое усилие даже в случае остановки колёс, чем отличается от всех других видов двигателей, используемых на транспорте.


Первые самолеты с паровым двигателем :

Феликс де Тампль.
В середине XIX столетия француз построил первый  самолет с паровым двигателем. Именно в 1850 - 1860 годы появляются первые компактные паровые двигатели, что и позволило Феликсу де Тамплю построить не модель, а первый настоящий самолет. Установленная на самолете паровая машина имела два качающихся цилиндра, штоки, которых соединялись с валом пропеллера, и трубчатый котел конструкции дю Тампля. Котел отапливался нефтью и мог генерировать пар под давлением 8 атм. Вес двигателя составлял 59 кг. На валу двигателя был установлен шести лопастной пропеллер, сделанный, как и крыло, из стальных труб, обтянутых шелком. Двигатель, вал и винт, представлявшие собой единый агрегат, могли поворачиваться в вертикальной плоскости относительно фюзеляжа, позволяя управлять направлением тяги в полете. Поворот осуществлялся с помощью зубчато-червячной передачи и штурвальчика. Однако малая мощность парового двигателя - 4 л.с. и большой вес аппарата - 260 кг, не позволили ему оторваться от земли.



Клемент Адер.
В 70–х годах 19 века, заинтересовавшись возможностью создания летательного аппарата тяжелее воздуха, Адер создал ряд оригинальных аппаратов, в основу которых был положено устройство крыла летучей мыши. Силовой установкой для этих самолетов служила паровая машина, а тягу создавал четырех лопастной пропеллер. В 1890 году Адером был изготовлен самолет "Эол". Наиболее совершенным агрегатом "Эола" был двигатель. Адеру удалось создать паровую машину с удельным весом всего около 3 кг/л.с. Двигатель мощностью 20 л.с. с двойным расширением пара имел два цилиндра. Он был выполнен из кованой стали и, для максимального снижения веса все, что возможно, было сделано полым внутри. Водотрубный котел отапливался спиртом. При испытании самолет Адера после разбега оторвался от земли и находился в воздухе около 5 с на высоте 0,5-1 м. Это было знаменательное событие в истории авиации: впервые самолет осуществил взлет с горизонтальной поверхности за счет мощности собственного двигателя.



В 1897 году был создан более совершенный "Авион №3". Взлет этого аппарата вошел в историю как первый самостоятельный (без разгона по рампе) полёт аппарата тяжелее воздуха.

 

 

 

Джон Стрингфеллоу.
Английский изобретатель в 1848 году построил модель самолета, ставшую первой успешно взлетавшей. Модель Стрингфеллоу неоднократно испытывалась. Разбег с работающими винтами должен был происходить вдоль наклонно натянутой проволоки. Пройдя определенное расстояние и набрав скорость, модель автоматически отцеплялась и уходила в свободный полет. В связи с тем, что аппарат не имел шасси, была предусмотрена специальная полотняная ловушка для подхвата модели при посадке. Она совершила свободный полет без снижения на расстояние свыше 35 м.

В 1868 г., после двадцатилетнего перерыва, Стрингфеллоу построил новую модель самолета с паровым двигателем - триплан, которая предназначалась для демонстрации на аэронавтической выставке в Лондоне. На самолете была установлена паровая машина, имевшая выдающиеся для своего времени характеристики. За ее создание на первой авиационной выставке в Хрустальном Дворце изобретатель получил премию в 100 фунтов стерлингов, как за модель, имевшую двигатель с лучшим соотношением мощности к весу. К сожалению эта модель не была полноценно испытана.

Уильям Хэнсон.
В 1842-1843 гг. английский инженер У.Хенсон занимался созданием модели самолета с миниатюрным паровым двигателем. Проект назывался „Воздушная паровая карета".

Сведений о конструкции первой в истории авиации модели самолета сохранилось очень мало. Известно лишь, что она имела монопланное крыло площадью 3,7 м², обтянутое шелком и подкрепленное проволочными растяжками. Вес одноцилиндровой паровой машины вместе с котлом, топливом и водой составлял 2,7 кг. Общий вес модели равнялся 6,3 кг. Опыты с моделью проводилось в 1843 г. в Лондоне в закрытом помещении. Запуск производился с наклонной плоскости. Испытания были неудачны: модель падала сразу же после схода со стартовой рампы.

В 1845 г. У. Хенсон совместно с механиком Д. Стрингфеллоу построил новую модель с паровым двигателем. Этот летательный аппарат был значительно больше модели 1842-1843 гг. Модель имела размах крыльев - 6,1 м, взлетный вес составлял около 12 кг.

Александр Ф. Можайский.
Отставной морской офицер, создатель первого в России реализованного проекта самолета. После выхода в отставку начал исследования механизма полетов птиц и воздушных змеев.

На большом воздушном змее совершил несколько полетов. Можайский подал заявку в патентное ведомство, получил в 1880 году патент на самолет своей конструкции и приступил к его постройке. Практические работы начались в 1881 г. когда Можайский привез из Англии две паровые машины, изготовленные по его проекту, мощностью 20 и 10 лошадиных сил, которые вращали три больших винта. Двигатели работали от одного котла, который отапливался нефтью. Это был расчалочный моноплан с двигателями в фюзеляже и тремя винтами - одним спереди и двумя по бокам, в вырезах крыла. Фюзеляж имел форму лодки с деревянным каркасом и полотняной обшивкой. В нем размещались паровые машины, котел, баки с горючим, сидения для людей, приборы. К верхним краям бортов крепились консоли крыла. Вес составлял около тонны. Взлет предполагалось производить с наклонной рампы. Испытания проходили с 1882 по 1885 годы в Красном Селе около Петербурга.

В докладной записке Главного инженерного управления Военного министерства, составленной в октябре 1884 г., говорилось, что самолет Можайского был "приводим в действие, взбегал вверх по наклонным рельсам, но взлететь не мог". По свидетельству очевидцев в одном из испытаний самолет под управлением механика после пробега по рампе совершил подлет, при приземлении накренился и был разбит. К сожалению, в 1890 году А. Можайский умер, и проект был заброшен. В 1891 г. самолет был убран с военного поля в Красном Селе и дальнейшая судьба его неизвестна.

Хирам Максим.
Уроженец США известен в первую очередь как создатель знаменитого пулемета Максима. Заинтересовавшись авиацией, Максим приступил в 1891 году к созданию своего самолета. Самолет представлял собой гигантскую по тем временам конструкцию, биплан с размахом крыла в 104 фута, приводился в движение двумя двигателями мощностью 180 лошадиных сил, вращавших пятиметровые лопасти. Взлетный вес составлял три с половиной тонны. Самолет разгонялся по рельсам, длиной приблизительно 500 метров. В ходе третьего испытания в 1894 году самолет оторвался от земли на несколько футов, но в этот момент отказал один из двигателей и самолет был разбит. Максим, потративший на эксперименты 20,000 фунтов, потерял интерес к авиации. В 1910 году он сделал еще одну попытку, но безуспешно.

1874 г. английский инженер Т. Мой совместно с механиком Р. Шиллом построили модель парового самолета, вес которой достигал почти 100 кг. Площадь крыльев составляла 10,5 м², мощность мотора - 3 л.с. Этот аппарат имел несколько несущих поверхностей, однако расположены они были не одна над другой, а уступом, одна за другой. Крылья имели бамбуковую основу и были обтянуты полотном. В промежутках между крыльями были размещены два шести лопастных пропеллера диаметром 1,8 м.

С. Ленгли.
Именно им в середине 1890 годов были созданы наиболее совершенные модели самолетов с паровым двигателем. В период с 1891 по 1895 гг. было построено семь больших моделей, получивших название "Аэродром". На "Аэродроме" № 5 была установлена одна паровая машина мощностью 1 л.с., на модели № 6 - две, примерно по 0,4 л.с., с непосредственным приводом на винты. Помимо различий в конструкции силовой установки "Аэродром" № 6 отличался несколько меньшими размерами и меньшим весом планера и паровой машины. Это позволяло брать больший запас топлива и воды. Первый успешный полет модели "Аэродром" № 5 состоялся в 1896 г. Дальность полета превысила 1 км.

Последняя попытка создания самолета с паровым двигателем относится к началу XX в. В 1902 г. Л. Харгрейв в Австралии начал строительство машины, которая должна была взлетать с воды. Гидросамолет должен был иметь один главный и два вспомогательных поплавка. Четырех лопастной пропеллер был размещен впереди переднего крыла. Расчетный вес аппарата - 215 кг. Но из-за отсутствия необходимого двигателя сборка самолета не была завершена.

Ни одна из предпринятых в XIX в. попыток полета на самолете не увенчалась успехом, не удалось создать летающие полноразмерные самолеты с паровым двигателем. Казалось, что систематические неудачи должны были привести к прекращению работ по созданию самолетов. Однако на рубеже XIX и XX вв. был создан удобный в эксплуатации и надежный двигатель внутреннего сгорания.

Братья Бестлер.
Много позже, после успешного полёта братьев Райт, паровой самолёт всё-таки был успешно реализован и испытан братьями Бестлер.

В отличии от самолета Максима аппарат братьев Бестлер был более совершенным. Его первый полет состоялся 12 апреля 1933 в США в штате Калифорния. Поднявшийся над городом Окленд паровой самолет Airspeed 2000 доказал возможность использования парового двигателя в авиации и стал первым паровым самолетом совершившим успешный полет. Это был биплан стандартной схемы с двухцилиндровым паровым двигателем общей мощностью 150 л.с. Благодаря разработанному для него паровому двигателю и продуманной конструкции самолет братьев Бестлер по экономичности и безопасности даже превосходил существующие на тот момент самолеты на двигателях внутреннего сгорания. Конструктивные особенности позволили снизить вибрацию и сделать машину практически бесшумной. Еще одной интересной особенностью парового самолета братьев Бестлер было то, что эффективность двигателя не зависела от высоты и не понижалась как у обычных самолетов. Но, несмотря на все преимущества, самолет так и не пошел в серию. Разработчикам не удалось заинтересовать потенциальных инвесторов, и все работы были свернуты.

Заключение:
Благодаря паровым двигателям авиация сделала рывок вперед в развитии, и послужило основой для применения бензиновых
двигателей внутреннего сгорания.

 

 

Категория: Одиннадцатая олимпиада (2013/14 уч.год) | Добавил: Service (14.01.2014) | Автор: Панин Сергей Игоревич E W
Просмотров: 2396 | Комментарии: 1 | Рейтинг: 5.0/2
Всего комментариев: 1
1  
Очень познавательная работа!

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Переводчик
...
ВНИМАНИЕ!
14-Я ОЛИМПИАДА ЗАВЕРШЕНА!
ИТОГИ ПОДВЕДЕНЫ!
ПРИЁМ ЗАЯВОК НА УЧАСТИЕ В 15-Й ОЛИМПИАДЕ НАЧНЕТСЯ
1 ОКТЯБРЯ 2017 ГОДА!

Google+
Их многие читают
Щур Илья Андреевич (9782)
Кузьминова Анастасия Олеговна (7266)
Бадакова Анастасия (7254)
Чеховская Алена Алексеевна (4826)
Кошманов Илья Игоревич (4431)
Иванов Семен Владимирович (4316)
Беляева Александра Сергеевна (4167)
Пушинская Кристина Валерьевна (3948)
Рафаэль (3771)
Ахметшин Тимур (3730)
Мини-чат
Техподдержка
E-mail отправителя *:


Тема письма:


Текст сообщения *:



Форум техподдержки
Наш логотип
«Олимпиада Можайского»
Организатор

Copyright: Клуб авиастроителей ©2017