Что нужно для того чтобы сделать паровой двигатель

Паровой судомоделизм

На хабре всё чаще проскакивают различные интересные посты о том, как кто-то собрал очередной паровой двигатель, либо какое-то устройство работающее на паре. Оно и понятно, каждому какой-то момент надоедает гипнотизировать монитор, и душа просит моря, приключений и романтики, но с инженерным подходом. Что может быть романтичнее парового двигателя, да ещё и установленного на корабле? Поскольку в асфальтовых джунглях нет возможности развернуть полноценную судоверфь, то можно поразвлечься на столе. Здесь расскажу о некоторых своих экспериментах, а так же то что удалось откопать на просторах сети.

Паропульсирующий двигатель

Паропульсирующий кораблик из мультфильма «Рыбка Поньо на утёсе» Хаяо Миядзаки

По английски называется pop-pop engine. По русски, точного названия не знаю, наиболее точное название будет «паропульсирующий», его и буду использовать. Данный тип паровых двигателей, наверное самый известный и простой для повторения в домашних условиях. Принцип действия которого основан на том, что вода при закипании расширяется, затем пар идёт по трубкам в воде, выталкивая воду, охлаждается, конденсируется, возникает разрежение, вакуум и вода втягивается обратно.

Конструкций таких двигателей море, есть даже напечатанные на 3d-принтере. У меня такая вот точно есть, только цвета другие. Но работать её не удалось заставить.

Видео наглядно демонстрирует как работает данный двигатель. И почему он называется pop-pop (издаёт характерный звук).

Мне вот такой вариант не очень понравился, поэтому я начал собственные эксперименты по данной теме. И начал эксперименты, для начала изготовил прототип из трубки с внутренним диаметром 1 мм, а в качестве плавсредства использовал обрезок доски.

Что удивительно, эта конструленция внезапно поплыла! Я был в шоке, и не верил что такое возможно.

В результате я понял, что идея рабочая и решил сделать нормальную конструкцию. Весь гайд приводить не буду, его продробно описал тут и тут.

Но если кратко, то я купил в магазине игрушку — пластиковый кораблик, а на строительным рынке медные кондиционерные трубки (лучше всё же использовать алюминиевые, того же диаметра — легче). Трубки гнул достаточно просто: замораживал воду внутри, и гнул по черенку от лопаты.

Первая плавающая модель.

Для него сделал спиртовку.

Спиртовка оказалась мировой, и использовалась ещё в очень многих моделях. Ну и пора провести первые ходовые испытания. Проверил различные типы горючего и трубок.

После удачных испытаний, была сделана центровка, развесовка и одета верхняя палуба. Так же сделал руль, и защиту печки (чтобы палуба не плавилась).

Ну и видео окончательных испытаний.

Если вы думаете, что паропульсирующие двигатели используются в детских поделках, то нет. Это мощнейшая индустрия, лично я встречал даже могучие математические выкладки с формами, объёмами, длиной трубок и прочее, по постройке наиболее быстрых и эффективных моделей.
Только посмотрите на видео возможных конструкций таких двигателей. Всяко рекомендую этот канал, если тема вам показалась интересной. У него очень много подобных конструкций и идей, есть чем заняться с вашими детьми вечером ;).

По интернету гуляют целые чертежи, математические выкладки наиболее удачных конструкций. Ищите, тема невероятно интересная и необычная.

Существуют совершено невероятные модели, работающие на этом принципе. Эти фотографии с известного интернет аукциона.

Может показаться очень странным, но это тоже модель кораблика с паропульсирующим двигателем.

Две трубки сзади

Вот сам двигатель (справа), а слева зелёное — это спиртовая горелка. Так, что не стоит думать, что это игрушка только для детей.

Модели с поршневыми паровыми двигателями

Паропульсирующие двигатели, хоть и очень романтичные и любопытные, но применимы только в моделизме (даже точнее, только в судомоделизме). И то, это будет скорее игрушкой, чем реальной моделью. Но мы же хотим получить модель, наиболее приближенную к настоящей, с настоящим поршневым паровым двигателем.

Если вы пойдёте на известный интернет аукцион, и начнёте там мониторить какие модели корабликов с поршневыми двигателями, а так же сами двигатели там бывают, то вы будете в шоке. Лично я хожу туда как в музей, и сохраняю наиболее интересные. У меня уже несколько гигабайт этих фоток для личного пользования. Но покажу наиболее интересные.

Ниже отечественная модель парового кораблика.

И последняя модель, двухцилиндровая.

Все эти модели объединяет одно: отсутствие парораспределителя, и наличие качающегося цилиндра. Качающийся цилиндр используется только в маленьких моделях. В больших паровых двигателях используется золотник. И такая конструкция тоже выдаёт “детский моделизм”.

Однако, если вы узнаете стоимость таких моделей, то окажется, что она совершенно не детская. Обычно на них ценник начинается от 1000$. Скажу сразу, если вы думаете сделать модель парохода самостоятельно и сэкономить, то нет, самостоятельная сборка выйдет сильно дороже. Лично я, как-то чуть не купил шикарный вариант пароходика, за 60 000 рублей. И считаю, что это была бы очень выгодная покупка, но не успел.

Это уже скоростная модель, у которой стоит двигатель Стюарта (Stuart Steam Engine), с золотниковым парораспределением. Модели двигателей до сих пор производятся и их можно даже купить. Нагрев воды осуществляется уже бензиновой горелкой. В общем, это очень классная модель и сделать его такого качества в эту сумму самостоятельно не выйдет, ну ни как.

Существуют уникальные модели паровых двигателей двойного действия. Где отбирается максимальная энергия пара, с двойным расширением. На видео видно, что цилиндры имеют разный диаметр. Маленький диаметр — это цилиндр высокого давления, большого — низкого.

Принцип действия показан на следующей гифке.

И подробнее можно прочитать об этом на википедии.

На самом деле, в последние лет пять всё реже и реже на аукционах встречаются модели паровых двигателей и пароходиков. А когда встречаются, цена их летит в неадекватные небеса, в действительности на эти деньги можно купить, без преувеличений, автомобиль.

Когда всё же решился купить двигатель

Проблема БУ двигателей в том, что они изношены, могут быть закисшими и прочее, прочее. Без навыка токарной обработки и без соответствующих инструментов починить их практически невозможно.

Но скажу сразу, что если вы захотите окунуться в мир паровых двигателей, то без токарного станка вам не обойтись.

Для начинающих любителей, на рынке существуют отличные наборы и двигатели фирмы Saito. Сайт, скорее всего, из России не открывается без прокси. С чем это связанно — не знаю. Но эти двигатели можно купить на аукционе, а мне довелось найти его даже в России вместе с бойлером.

Сам двигатель.

Я купил его немного БУ, бывший хозяин в спиртовку заливал масло и её пришлось ремонтировать после этого надругательства. Но, тем не менее, двигатель был рабочим, Запас хода воды в котле около 15 минут. Время горения спиртовки около 22 минут, что хватает точно на то, чтобы прогреть воду, всю её выпарить и погаснуть.

Горит спиртовка.

Крайне интересно посмотреть, как же работает данный двигатель. Специально для вас снял следующее кинцо.

Внимательные зрители, наверное заметили, что я заливаю масло не только в оси вращения двигателя, но и в специальную маслёнку. И как оказалось, не смотря на то что в моём кругу общения огромное количество инженеров, а так же то, что паровой двигатель просто устроен, никто толком мне не смог объяснить как же работает данная маслёнка. В ней пар смешивается с маслом, и такая паровая эмульсия попадает уже в двигатель, забрызгивая всё вокруг грязным маслом.

На самом деле устройство таких маслёнок элементарное, но неочевидное.

Обычно, после двигателя ставится маслоуловитель, чтобы не загрязнять окружающую среду.
Сразу хочу показать очень любопытный проект на данном паровом двигателе.

Когда хочется своими руками

Паровой двигатель, не смотря на свою простоту, требует очень высокой точности изготовления деталей. И все эти самодельные двигатели из «Юный Техник» были практически недостижимыми в повторяемости для детей:

Типичный отечественный гайд создания двигателя.

Картинка взята отсюда.
Я знаю очень многих людей, кто в детстве это пытался сделать (в том числе и я), но ни у кого он не работал. Не стоит думать, что только редакторы советских книг издевались над детьми того времени, на западе тоже хватало различных инструкций, например вот.

Но я нашёл очень толковую инструкцию, как повторить такой двигатель без токарного станка, имея минимальный набор инструментов и материалов с ближайшего строймага.

Обратите внимание, что это три полноценных видео, каждое по пол часа, и суммарно на 1,5 часа времени. Лично я не люблю конструкцию качающихся двигателей, так как это изначально игрушка, но они очень просты в повторении(ха-ха, трижды).

Выводы

Мне кажется, что сейчас начался какой-то ренессанс моделей паровых двигателей, и к ним есть реальный интерес. Даже Китай берёт читает советские книги и делает по ним модели двигателей. Например, берём книгу Ю. Емельянов «Морской моделизм» 1955 г. Открываем на странице 273 и видим замечательную картинку.

Потом лезем на известный китайский интернет магазин, и о чудо! Встречаем там точно такой же двигатель!

На самом деле, при всей архаичности паровых машин, и их огромных недостатков, нельзя отнять того, что даже сегодня они не теряют своей актуальности. Более 70-80% электроэнергии вырабатывают архаичные паровые машины! Даже передовые атомоходы, это по сути пароходы с атомным кипятильником.

Для тех, кто решиться заняться моделями паровых двигателей, хочу сказать. Вы должны помнить, что КПД большого парового двигателя и без того не велико, то КПД модели будет ничтожно мало. Слишком большие потери на нагрев металла и трубок. Часто бывает, что всё прекрасно работает на сжатом воздухе, а на паре того же давления не работает совершенно и ничего невозможно сделать. Поэтому, если есть возможность делайте модели крупнее, утепляйте трубки и цилиндры, а так же не ленитесь, сходите в библиотеку, там невероятный клад технической литературы по теме. Лично я просидел в Ленинской библиотеке недели три, просто читая литературу по проектированию корабельных паровых двигателей. Но это совсем другая история.

Модель парового двигателя

Звучит важно. На самом деле — забавная штучка.

Вот видео работы нашей паровой турбины (39 секунд).

Катя все спрашивала: «А когда она полетит?» Видимо, ей колесо напоминало винт от вертолета. Да и мне эта штука напоминает космический корабль из кинофильма «Кин-дза-дза». Пепелац 🙂

Принцип работы паровой турбины практически такой же как у чайника — из-за горения топлива в топке вода в резервуаре закипает, образуется пар, который под давлением вырывается через узенькую трубочку и крутит колесо укрепленной над трубочкой турбины. Энергию вращения турбины можно использовать для получения электричества. Именно так и делают на различного рода электростанциях — тепловых, геотермальных, ядерных. С помощью паровых турбин получается 86% электроэнергии в мире!

Схема работы модели паровой турбины. Рисовал Витя

Дальше мастер-класс по созданию парового двигателя:)

Для паровой турбины нам понадобится:

• 2 жестяных банки (у нас они были от сгущенки). Одна из них обязательно должна быть еще не открытая, потому что мы будем открывать ее особым способом!
• Тонкая трубка или стальной стержень, в котором надо будет просверлить отверстие.
• Гайка, шуруп, длинный гвоздь, 2 пластмассовых дюбеля
• Сухой спирт, вода.

Сначала рисуем эскиз. Примерно так:

Эскиз модели

Когда все детали продуманы, приступаем к изготовлению.
Самый интересный этап: берем целую банку, и в ее крышке пробиваем два диаметрально противоположных отверстия. Через них надо будет вылить содержимое банки. Так как у нас там была сгущенка, Витя очень быстро справился с заданием опустошить банку 🙂 Банку моем. Наш резервуар для воды готов.

Подготавливаем консервную банку 🙂

Вторую банку можно открывать как обычно, мы все равно будем разрезать ее пополам. Из нижней половины будем делать топку. Ножницами по металлу прорезаем отверстие для того, чтобы класть туда топливо. По окружности шилом делаем ряд отверстий, чтобы улучшить доступ кислорода (мы сначала не сделали, и огонь плохо разгорался).

Так выглядит топка паровой турбины

Из оставшихся от второй банки кусков жести надо вырезать колесо-крыльчатку для турбины и ушки-держалки для него. Этим занялся Витя.

Вырезание крыльчатки и держателей для нее

После этого все детали нужно припаять к резервуару. Тут уж Антон Вите помог.
Сначала по окружности к дну резервуара надо припаять топку.

С помощью тонкого сверлышка Антон сверлит отверстие в металлическом стержне. А потом припаивает все детали модели.

Затем, к верху резервуара нужно припаять сверху на одно отверстие гайку. Это будет отверстие для наливания воды. Мы его будем закручивать шурупом, чтобы пар выходил только через второе отверстие.
А на второе отверстие нужно припаять узкую трубочку и ушки для установки турбины

Модель паровой турбины. Вид сверху без крыльчатки

Подготовленная к установке крыльчатка турбины

С помощью длинного гвоздя устанавливаем турбину на место. Чтобы во время вращения она не съезжала, мы ее зафиксировали кусочками пластикового дюбеля.

Модель паровой турбины с установленной крыльчаткой

Все готово, можно наливать воду (не очень много, примерно 1/3 банки, чтобы закипала скорее), закручивать шуруп, класть в топку сухой спирт и поджигать. Как только вода закипит (где-то минут 3-5), пойдет пар и колесико закрутится.

Модель паровой турбины в действии

Мы не делали ничего, чтобы гасить огонь — таблетки сухого спирта как раз хватает на то, чтобы налюбоваться вращением. Только будьте осторожны — помните, что в банке кипящая вода, а снизу открытый огонь! Используйте прихватки и подставку для горячего из невоспламеняющихся материалов.

Общий вид паровой турбины

А тут можно посмотреть еще всякие научно-технические самоделки, которые делал Витя сам или с помощью Антона: Макет космического аппарата , Пищалка, Модель электрического мотора, Фонарик-пчелка, Прибор для проверки твердости руки, Радистский (телеграфный) ключ, Робот-мышь, Робот-паук, Водяная ракета, Светофор, Перископ.

А этот пост я добавляю в галерею «Мир мальчишек» в блог Женя Ясной

Если римляне найдут один работающий паровой двигатель, смогут ли они скопировать и использовать его?

Slarty

Раньше я спрашивал , могли ли римляне построить паровой двигатель для питания корабля, который получил несколько ответов, которые лучше всего обобщить как «вероятно, нет, но…».

Предполагая, что римляне не могли придумать идею самостоятельно, предположим, что они обнаружили работающий пример простого парового двигателя, что тогда? (Сохранено предыдущей цивилизацией или каким-либо иным образом вышедшей из-под контроля рукой). Предположим, у них также были простые визуальные инструкции по эксплуатации.

Моника Челлио ♦

Simba

Slarty

Если цивилизация найдет пример передовой технологии, смогут ли они научиться дублировать технологию?

У вас есть две переменные:

Современное технологическое состояние цивилизации. Назовите это «А.»

Технологическая разница между цивилизацией и примером. Назовите это «Б.»

Чем раньше «А», тем более вероятно, что ответ «Нет».

Чем больше «Б», тем более вероятно, что ответ «Нет». (Это необходимая аксиома магии Кларкиана .)

По мере продвижения «А» «В» может расширяться, и ответом может быть «Да».

Какова наша годовая точка отсчета?

Римляне были технологическими чудесами, но большая часть их прогресса была в структурной инженерии. Если бы в качестве примера вашей технологии использовалось электричество, мой мгновенный ответ был бы «абсолютно нет».

Тем не менее, Римская империя охватывала большое количество времени и большое количество технологических инноваций. Подобно тому, как моя бабушка при жизни видела, как конные и паровые корабли как вершина транспортной техники уступают дорогу лунному и воздушному полету, так что обычные люди больше не одеваются, римляне отошли от их ранние годы («абсолютно нет») до 300 лет нашей эры, когда ответ становится «возможно, возможно, даже возможно».

Важной датой является 1 год нашей эры. Именно тогда Герой Александрии создал Aeolipile . Эолипилия была, в основном, первой паровой турбиной. На данный момент у них, возможно, не было другого технологического ноу-хау для создания полностью работающего парового двигателя 1800-х годов . но они бы поиграли с ним некоторое время и, возможно, пришли бы к выводу: «Вы знаете, это выглядит ужасно похож на действительно сложный Aeolipile. «

До сих пор я убежден, что римляне, по крайней мере, скажем, 50 г. н.э., поняли бы, на что они смотрят (после достаточного изучения и экспериментов), так же, как у нас есть способность понимать теорию струн, не имея ни малейшего представления о том, как доказать Это.

Это оставляет вопрос, могут ли они дублировать это?

Компоненты парового двигателя улучшаются с помощью фрезерования, но не требуют фрезерования. Все они могут быть брошены. Римляне знали, как это сделать, чтобы они могли придать форму всему, что им нужно. Это оставляет металлургическую силу.

И вот тут в игру вступает последнее, что я могу сделать.

Римляне умели думать

Древние римляне знали, как все понять. Это займет время, потому что они в основном застряли на эмпирических исследованиях, но они могут это сделать. Теперь ответ «Да, если достаточно времени».

Сколько времени вам нужно между тем, когда они нашли двигатель и когда вам нужно их дублировать двигатель?

Следующее — все инстинктивный инстинкт и открытый для громких аргументов, но .

Если ответ найден в 50 году нашей эры, а в 300 году нашей эры это необходимо, я готов выйти на конечность и сказать «Да».

Если ответ найден в 50 г. н.э., а в 100 г. н.э. это «очень маловероятно».

Если ответ найден в 50 г. до н.э., что нужно для чего-то меньшего, чем 200 г. н.э., это «вероятно, нет».

Если ответ найден до 50 г. до н.э., ответ «невозможно». В Римской империи недостаточно технологического понимания, чтобы понять, на что они смотрят, и к тому моменту, когда Элиопил явился примером, он был бы испорчен или потерян.

Некоторые из комментариев задаются вопросом, почему римляне хотели бы следовать технологии парового двигателя. ОП не рассказал нам контекст будущей технологии, появляющейся в прошлом. Если бы все, что появилось, было двигателем, то это могло бы быть трудно продать, если бы кто-то не был достаточно умным, чтобы думать, «что если мы подключим эту присоску к тележке?» С другой стороны, если бы то, что казалось, было рабочим автомобилем . римляне были бы на всем протяжении этой технологии, учитывая трудности их широко распространенной империи. На самом деле вопрос в том, что, если бы это был двигатель поезда? Что-то, что требовало треков, чтобы быть ценным Это может быть громко, потому что внезапно огромные инвестиции в инфраструктуру (прокладка железной дороги).

Тем не менее, ничего из этого не имеет значения, так как ФП не спрашивал об этом. Это проблема ОП решить. Если нет, это другой вопрос, а не правильный ответ на этот.

Ряд комментаторов выразили недоверие к тому, что обратный инжиниринг может принести существенную ценность процессу технологических инноваций. Их предпосылка состоит в том, что технологии не развивались в течение тысячелетий или более сами по себе, что предполагает, что они не могли бы развиваться в течение 200-300 лет с рабочим примером, чтобы экспериментировать с ними или мотивировать их.

У таких комментаторов нет опыта реверс-инжиниринга. Я делаю. Знание того, что что-то возможно, и вам нужно всего лишь дублировать его, намного, намного, намного более мощное, чем не знать, что что-то возможно, и ждать, пока объединится воображение и научное развитие.

Простая истина заключается в том, что если римлянам продемонстрировать неопровержимое доказательство ценности работающего парового двигателя, у них не будет одного или двух парней, которые возятся с неопределенной идеей (вот почему, естественно, потребовались тысячелетия). У них были бы тысячи и более людей, преданных делу реализации военного преимущества. (Если не указано иное, вы хотите выбрать, что они не видят ценность, и в этом случае это все спорный разговор. Вы не придумаете, что вас не волнует.)

Некоторым людям нравится думать, что инновация — это какой-то фиксированный процесс, что он не может произойти быстрее, чем это было, но наша собственная недавняя история в области компьютерных разработок снова и снова доказывает, что это неправильно.

Вам не нужно понимать, почему что-то работает, чтобы дублировать это.

В заключение приведу пример. Интересно, считают ли некоторые спецификации старинного парового двигателя такими же сложными, как двигатель внутреннего сгорания 2017 года. Очевидно, что металлы и точность, необходимые для двигателя 2017 года, не могли быть воспроизведены римлянами в течение их времени. Но это не то, о чем просили. Когда я однажды прочитал «Гроздья гнева», я отметил в истории момент, когда семье пришлось ремонтировать двигатель. Они потеряли сжатие, поэтому они обмотали медный провод вокруг поршня, сунули его обратно в камеру, и они пошли. Я задавался вопросом об этом и спросил мою бабушку, которая сказала, что такие вещи действительно случаются. Это очень большая неточность — иметь работающий и полезный движок.

Если вы все еще хотите верить, что римляне не могли перепроектировать что-то столь же простое, как паровой двигатель (с рабочими документами!) В условиях, которые я указал, во что бы то ни стало, понизьте мой ответ. Я не буду чувствовать себя плохо.

Паровая машина

Hammer
Завхоз

На форуме с 05.10.2005, cообщений 4275, возраст 43
Жуковский

Задел меня Хонда за живое в теме про фрезерный станок.

Вот здесь много самодельных паровых двигателей с чертежами и объяснениями:

Вот примеры оттуда:

Czech

На форуме с 18.05.2006, cообщений 457
Большая Пысса М.о.

Hammer
Завхоз

На форуме с 05.10.2005, cообщений 4275, возраст 43
Жуковский

Вообще, отличная тема для моделистов! Делается за один вечер на коленке, посмотрите ссылки, там вообще коленвалы из медных проволочек гнут!

Modjahed

На форуме с 19.07.2006, cообщений 30
Откуда: Кузбасс

мдя.
начали с дешек(ДВС) и электросамокатов, перешли на реактивную тягу и кончили паровозами.
реально. вперди только ядерная энергия.

Hammer
Завхоз

На форуме с 05.10.2005, cообщений 4275, возраст 43
Жуковский

Modjahed

На форуме с 19.07.2006, cообщений 30
Откуда: Кузбасс

Дык. респект тебе за это дело!

YACHES
Партизан

На форуме с 22.06.2006, cообщений 104
Москва СЗАО

Hammer
Завхоз

На форуме с 05.10.2005, cообщений 4275, возраст 43
Жуковский

Пишут, как изготовить цилиндр и поршень:

Дословно переводить не буду, но смысл в следущем.

Если нет подходящей развертки цилиндр можно заполировать нулевкой с каплей масла, намотанной на деревянную палочку зажатую в дрель!

Поршень из стали или бронзы (они там вообще кусок болта отпиливали в нескольких конструкциях ) зажимается в дрель и на оборотах обрабатывается напильником.