Как сделать паровой двигатель своими руками. Паровая машина с качающимся цилиндром из старинного Юного техника Микро паровой двигатель своими руками

ПАРОВОЙ РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ и ПАРОВОЙ АКСИАЛЬНО- ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

Паровой роторный двигатель (паровая машина роторного типа) является уникальной силовой машиной, развитие производства которой до настоящего времени не получило должного развития.

С одной стороны- разнообразные конструкции роторных двигателей существовали ещё в последней трети 19-го века и даже неплохо работали, в том числе и для привода динамо-машин с целью выработки электрической энергии и электроснабжения всяких объектов. Но качество и точность изготовления таких паровых двигателей (паровых машин) было весьма примитивным, поэтому они имели малый КПД и невысокую мощность. С тех пор малые паровые машины ушли в прошлое, но вместе с действительно малоэффективными и бесперспективными поршневыми паровыми машинами в прошлое ушли и имеющие хорошую перспективу паровые роторные двигатели.

Главная причина- на уровне технологий конца 19-го века сделать действительно качественный, мощный и долговечный роторный двигатель не представлялось возможным.
Поэтому из всего многообразия паровых двигателей и паровых машин до нашего времени благополучно и активно дожили лишь паровые турбины огромной мощности (от 20 мВт и выше), на которых сегодня осуществляется около 75% выработки электроэнергии в нашей стране. Еще паровые турбины большой мощности дают энергию от атомных реакторов в боевых подводных лодках-ракетоносцах и на больших арктических ледоколах. Но это все огромные машины. Паровые турбины резко теряют всю свою эффективность при уменьшении их размеров.

…. Именно поэтому силовых паровых машин и паровых двигателей мощности ниже 2000 — 1500 кВт (2 — 1,5 мВт), которые бы эффективно работали на паре, получаемом от сжигания дешевого твердого топлива и различных бесплатных горючих отходов, сейчас в мире нет.
Вот в этой –то пустой сегодня области техники (и абсолютно голой, но очень нуждающейся в товарном предложении коммерческой нише), в этой рыночной нише силовых машин небольшой мощности, могут и должны занять своё очень достойное место паровые роторные двигатели. И потребность в них только в нашей стране — на десятки и десятки тысяч… Особенно такие малые и средние по мощности силовые машины для автономное электрогенерации и независимого электроснабжения нуждаются малые и средние предприятия в отдаленных от больших городов и крупных электростанций местностях: — на малых лесопилках, отдаленных приисках, на полевых станах и лесных делянках, и пр. и др.
…..

..
Давайте рассмотрим показатели, из-за которых паровые роторные двигатели оказываются лучше, чем их ближайшие сородичи — паровые машины в образе поршневых паровых двигателей и паровых турбин.
… — 1) Роторные двигатели являются силовыми машинами объемного расширения – как поршневые двигатели. Т.е. они обладают небольшим потреблением пара на единицу мощности, потому что пар подается в их рабочие полости время от времени, и строго дозированными порциями, а не постоянным обильным потоком, как в паровых турбинах. Именно поэтому паровые роторные двигатели гораздо экономичнее паровых турбин на единицу выдаваемой мощности.
— 2) Роторные паровые двигатели имеют плечо приложения действующих газовых сил (плечо крутящего момента) значительно (в разы) больше, чем поршневые паровые двигатели. Поэтому развиваемая ими мощность гораздо выше, чем у паровых поршневых машин.
— 3) Паровые роторные двигатели имеют гораздо большее рабочий ход, чем поршневые паровые двигатели, т.е. имеют возможность переводить большую часть внутренней энергии пара в полезную работу.
— 4) Паровые роторные двигатели могут эффективно работать на насыщенном (влажном) паре, без затруднений допускать конденсацию значительной части пара с переходом её в воду прямо в рабочих секциях парового роторного двигателя. Это так же повышает КПД работы паросиловой установки с использованием парового роторного двигателя.
— 5 ) Паровые роторные двигатели работают на оборотах в 2-3 тыс. оборотов в минуту, что является оптимальной частотой вращения для выработки электричества, в отличие от слишком тихоходных поршневых двигателей (200-600 оборотов в минуту) традиционных паровых машин паровозного типа, или от слишком быстроходных турбин (10-20 тыс. оборотов в минуту).

При этом технологически паровые роторные двигатели относительно просты в изготовлении, что делает затраты на их изготовление относительно невысокими. В отличие от крайне дорогостоящих в производстве паровых турбин.

ИТАК, КРАТКИЙ ИТОГ ЭТОЙ СТАТЬИ — паровой роторный двигатель является весьма эффективной паровой силовой машиной для преобразования давления пара от тепла сгорающего твердого топлива и горючих отходов в механическую мощность и в электрическую энергию.

Автором настоящего сайта, уже получены более 5 патентов на изобретения по разным аспектам конструкций паровых роторных двигателей. А так же произведено некоторое количество небольших роторных двигателей мощностью от 3 до 7 кВт. Сейчас идет проектирование паровых роторных двигателей мощностью от 100 до 200 кВт.
Но у роторных двигателей есть «родовой недостаток» — сложная система уплотнений, которые для маленьких по размерам двигателей оказываются слишком сложными, миниатюрными и дорогими в изготовлении.

При этом автором сайта ведется разработка паровых аксиально поршневых двигателей с оппозитным — встречным движением поршней. Данная компоновка является наиболее энерго — производительной по мощности вариацией из всех возможных схем применения поршневой системы.
Данные двигатели в малых размерах получаются несколько дешевле и проще роторных моторов и уплотнения в них использхуються самые традиционные и самые простые.

Внизу размещено видео использования маленького аксиально-поршневого оппозитного двигателя с встречным движением поршней.

В настоящее время идет изготовление такого аксиально-поршневого оппозитного двигателя на 30 кВт. Ресурс двигателя ожидается в несколько сотен тысячах моточасов ибо обороты парового двигателя в 3-4 раза ниже оборотов двигателя внутреннего сгорания, в пара трения «поршень- цилиндр» — подвергнута ионно -плазменному азотированию в вакуумной среде и твердость поверхностей трения составляет 62-64 ед по HRC. Подробно о процессе упрочения поверхности методом азотирования смотри .

Вот анимация принципа работы похожего по компоновке такого аксиально- поршневого оппозитного двигателя с встречным движением поршней

Даже если за плечами спортсмена уже есть богатый опыт создания судомоделей-копий, все равно при проектировании нового микросудна он неизбежно сталкивается с проблемой - какой двигатель ставить на будущую копию! Калильный или компрессионный - возникнут проблемы с топливом, шумоглушением и вибрациями. Электрический! Но и он не без недостатков, особенно с учетом большой массы электроаккумуляторов.

А почему не пойти по наиболее колийному пути и на копиях, например, пароходов не использовать настоящий миниатюрный паровой двигатель! Попытка реализации этой поначалу кажущейся трудноосуществимой идеи принесла очень интересные результаты.

Прежде всего - непосредственно о двигателе (в паровую установку входит еще немало крупных узлов). Проще его сделать на базе любого из моделистских ДВС достаточного рабочего объема. Кстати, хорошо подойдет для этих целей такой мотор, как «Комета» МД-5, давно зарекомендовавший себя в штатном калильном исполнении как совершенно неработоспособный. Для парового варианта лучше всего изготовить новую гильзу цилиндра и выполнить в ней лишь выпускные окна для выхода пара. Перепускные (продувочные) окна не нужны - при их отсутствии картер мотора окажется закрытым, что позволит сохранять во время работы установки в объеме картера достаточное количество масла.

Следующий этап работы над паросиловой установкой - изготовление двух баков: для воды и бензина или другого жидкого топлива. Водяной бак выполняется пайкой из толстой листовой латуни или нержавейки толщиной не менее 0,8-1 мм (в крайнем случае подойдет толстое кровельное железо). Выбор материала обусловлен тем, что водяной бак будет при функционировании установки находиться под тем же давлением, что и вся паровая система. Топливный бак может быть не столь прочным и меньшим по объему. Его размеры подбираются практическим путем.

Один из важнейших узлов установки - паровой котел. Его конструкция ясна из рисунков, а материалы и технологии изготовления элементов котла каждый может выбрать, исходя из собственных пожеланий и возможностей.

1 - трубка подвода топлива (медь, Ø 3 мм), 2 - теплообменник-испаритель, 3 - трубка питания форсунки (медь, Ø 3 мм), 4 - трубка отбора пара, 5 - испаритель воды (трубка Ø 3-4 мм), 6 - жалюзи подвода воздуха к пламени, 7 - форсунка, 8 - узел крепления форсунки, 9 - нижняя камера, 10 - трубка подвода воды к испарителю, 11 -корпус-труба.

Теплообменник - испаритель топлива может быть изготовлен из медной коробки от старого барометра или в виде мотка тонкой медной трубки. Топливораспыляющая форсунка переделывается из туалетного пульверизатора.

1 - трубка подвода пара от котла к двигателю, 2 - латунный корпус клапана, 3 - пружина, 4 - шарик-клапан. Для работы клапана в днище поршня двигателя нужно по центру смонтировать шток-толкатель, который при подходе поршня к верхней мертвой точке должен отжимать шарик-клапан вверх, впуская таким образом очередную порцию пара под давлением.

1 - корпус (кровельное железо или листовая латунь), 2 - заливная горловина (закрывается герметично), 3- вентиль (ниппель от велосипеда или мотоцикла), 4 - расходный кран-вентиль.

Подготовка к испытаниям паровой машины несложна. В картер переделанного ДВС заливают машинное масло; в штатный диффузор карбюратора вставляют заглушку (масло необходимо заменять примерно через 50 часов работы машины). Баки заполняются соответственно водой (лучше дистиллированной, что исключит образование накипи в паровой системе) и бензином любой марки. Оба бака герметично закрывают. Затем в нижнюю часть парового котла укладывают подожженную таблетку сухого спирта, а через впаянные в баки ниппеля накачивают в них воздух, создавая избыточное давление. Теперь можно открывать расходные краны-вентили. Через некоторое время, когда разогреется теплообменник испарения топлива, пламевая система котла перейдет на автоматический режим, постоянно подавая под давлением бензин к соплу форсунки. Чтобы заставить работать двигатель, достаточно пару раз провернуть его коленвал. Обороты мотора регулируют подачей воды и высотой пламени.

Паровые двигатели были установлены и приводили в движение большую часть паровозов в период начала 1800 и вплоть до 1950 годов прошлого века. Хочется отметить, что принцип работы этих двигателей всегда оставался неизменным, несмотря на изменение их конструкции и габаритов.

На анимированной иллюстрации приведен принцип работы парового двигателя.

Для генерации подаваемого на двигатель пара использовались котлы, работающие как на дровах и угле, так и на жидком топливе.

Первый такт

Пар из котла поступает в паровую камеру, из которой через паровую задвижку-клапан (обозначена синим цветом) попадает в верхнюю (переднюю) часть цилиндра. Давление, создаваемое паром, толкает поршень вниз к НМТ. Во время движения поршня от ВМТ к НМТ колесо делает пол оборота.

Выпуск

В самом конце движения поршня к НМТ паровой клапан смещается, выпуская остатки пара через выпускное окно, расположенное ниже клапана. Остатки пара вырываются наружу, создавая характерный для работы паровых двигателей звук.

Второй такт

В то же самое время, смещение клапана на выпуск остатков пара открывает вход пара в нижнюю (заднюю) часть цилиндра. Созданное паром в цилиндре давление заставляет поршень двигаться к ВМТ. В это время колесо делает еще пол оборота.

Выпуск

В конце движения поршня к ВМТ остатки пара освобождаются через все то же выпускное окно.

Цикл повторяется заново.

Паровой двигатель имеет т.н. мертвую точку в конце каждого хода, когда клапан переходит от такта расширения к выпуску. По этой причине каждый паровой двигатель имеет два цилиндра, что позволяет запускать двигатель из любого положения.

Поводом для постройки этого агрегата послужила дурацкая идея: "а можно ли построить паровой двигатель без станков и инструментов, используя только детали, которые можно купить в магазине" и сделать все своими руками. В результате появилась такая вот конструкция. Вся сборка и настройка заняла меньше часа. Хотя на конструирование и подбор деталей ушло полгода.

Большая часть конструкции состоит из водопроводной арматуры. Под конец эпопеи вопросы продавцов хозяйственных и прочих магазинов: "могу я вам помочь" и "а вам для чего", реально бесили.

И так собираем основание. Сперва основной поперечный элемент. Здесь используются тройники, бочата, уголки на пол дюйма. Все элементы я крепил с помощью герметика. Это для того, что бы было легче соединять и разъединять их руками. Но для финишной сборки лучше использовать сантехническую ленту.

Затем продольные элементы. К ним будут крепится паровой котел, золотник, паровой цилиндр и маховик. Здесь все элементы так же на 1/2".

Затем делаем стойки. На фото, с лева на право: стойка для парового котла, далее стойка для парораспределяющего механизма, затем стойка для маховика, и наконец держатель для парового цилиндра. Держатель маховика изготавливается из тройника на 3/4" (внешняя резьба). К нему идеально подходят подшипники из ремкомплекта для роликовых коньков. Подшипники удерживаются стяжной гайкой. Такие гайки можно найти отдельно или взять от тройника для металлопластиковых труб. Этот тройник на фото в нижнем правом углу (в конструкции не используется). В качестве держателя парового цилиндра тоже используется тройник на 3/4", только резьба вся внутренняя. Для крепления элементов 3/4" к 1/2" используются переходники.

Собираем котел. Для котла используется труба на 1". Нашел б/у на рынке. Забегая в перед, хочу сказать, что котел получился мелковат и не дает достаточного количества пара. С таким котлом двигатель работает слишком вяло. Но работает. Три детали с права это: заглушка, переходник 1"-1/2" и сгон. Сгон вставляется в переходник и закрывается заглушкой. Таким образом котел становится герметичным.

Таким котел получился изначально.

Но сухопарник оказался не достаточной высоты. Вода попадала в паропровод. Пришлось ставить дополнительный бочонок на 1/2" через переходник.

Это горелка. Четырьмя постами ранее был материал "Самодельная масляная лампа из труб". Изначально горелка была задумана именно такой. Но не нашлось подходящего топлива. Масло для ламп и керосин сильно коптят. Нужен спирт. Так что пока сделал просто держатель для сухого горючего.

Это очень важная деталь. Парораспределитель или золотник. Эта штука направляет пар в рабочий цилиндр при рабочем ходе. При обратном ходе поршня подача пара перекрывается и идет сброс. Золотник делается из крестовины для металлопластиковых труб. Один из концов нужно залепить эпоксидной замазкой. Этим концом он будет крепится к стойке через переходник.

А сейчас самая главная деталь. От неё будет зависеть заработает двигатель или нет. Это рабочий поршень и клапан золотника. Здесь используются шпилька М4 (продаются в отделах мебельной фурнитуры, проще найти одну длинную и отпилить нужную длину), металлические шайбы и войлочные шайбы. Войлочные шайбы используются для крепления стекол и зеркал с другой фурнитурой.

Войлок не самый лучший материал. Он дает не достаточную герметичность, а сопротивление ходу - существенное. В последствии удалось избавится от войлока. Для этого идеально подошли не совсем стандартные шайбы: М4х15 - для поршня и М4х8 - для клапана. Эти шайбы нужно максимально плотно, через сантехническую ленту, посадить на шпильку и той же лентой с верху намотать 2-3 слоя. Затем тщательно притереть с водой в цилиндре и золотнике. Фотографию модернизированного поршня не сделал. Лень разбирать.

Это собственно цилиндр. Изготавливается из бочонка 1/2". Двумя стяжными гайками он крепится внутри тройника 3/4". С одной из сторон, с максимальным уплотнением, наглухо крепится штуцер.

Теперь маховик. Маховик делается из блина для гантели. В центральное отверстие вставляется стопка из шайб, а в центр шайб помещается маленький цилиндр из ремкомплекта для роликовых коньков. Все крепится на герметике. Для держателя водила идеально подошла вешалка для мебели и картин. Похожа на замочную скважину. Все собирается в той последовательности, что на фото. Винт и гайка - М8.

Маховиков у нас в конструкции - два. Между ними должна быть жесткая связь. Эта связь обеспечивается стяжной гайкой. Все резьбовые соединения закрепляются лаком для ногтей.

Эти два маховика кажутся одинаковыми, однако один будет соединен с поршнем, а другой с клапаном золотника. Соответственно водило, в виде винта М3, крепится на разных расстояниях от центра. Для поршня водило располагается дальше от центра, для клапана - ближе к центру.

Теперь делаем привод клапана и поршня. Для клапана идеально подошла соединительная пластина для мебели.

Для поршня в качестве рычага используется накладка оконного замка. Подошла как родная. Вечная слава тому, кто изобрел метрическую систему.

Приводы в сборе.

Все устанавливается на двигатель. Резьбовые соединения закрепляются лаком. Это привод поршня.

Привод клапана. Обратите внимание, положения водила поршня и клапана отличаются на 90 градусов. В зависимости от того в какую сторону водило клапана опережает водило поршня, будет зависеть в какую сторону будет вращаться маховик.

Теперь осталось подсоединить трубки. Это силиконовые шланги для аквариума. Все шланги необходимо закрепить проволокой или хомутами.

Нужно заметить что тут не предусмотрен предохранительный клапан. Поэтому следует соблюдать максимальную осторожность.

Вуаля. Заливаем воду. Поджигаем. Ждем когда закипит вода. Во время разогрева клапан должен быть в положении закрыто.

Весь процесс сборки и результат на видео.

И в кратчайшие сроки можно изготовить простейший паровой генератор. Такое устройство способно генерировать электроток практически из любого топлива, в ход пойдет все, что горит. Это могут быть палочки, твердый спирт, свечка, кора с деревьев, сухая трава и прочее. Подобный генератор можно взять с собой, отправляясь в туристический поход. От него можно зарядить мобильный телефон или зажечь пару светодиодов для освещения.
Двигатель является однопоршневым, с золотником.

Материалы и инструменты для сборки:
- кусок трубки от телевизионной или радиоантенны, диаметром не мене 8 мм;
- небольшая трубка для создания поршневой пары (можно купить в магазине сантехники);
- медная проволока (диаметр 1.5 мм, можно найти в катушках или купить);
- гайки, болты и шурупы;
- свинец для изготовления маховика (можно найти в старых автомобильных аккумуляторах, рыболовных снастях или купить);
- бруски из дерева;
- спицы от велосипеда;
- фанера или текстолит для создания подставки;
- трубка;
- банка из под оливок или подобная.

Из инструментов будут необходимы: ножовка, наждак, паяльник, эпоксидная смола, холодная сварка, суперклей, дрель.

Процесс изготовления парового генератора:

Шаг первый. Принципиальная схема генератора
На схеме можно увидеть, как работает механизм. То есть это кривошип, который через шатун соединен с поршнем. Также в системе предусмотрен клапан (золотник), который открывает и закрывает один из двух каналов. Когда поршень находится в нижней мертвой точке, золотник открывает канал и в цилиндр поступает пар под давлением. Достигая верхней мертвой точки, золотник перекрывает подачу пара, и открывает цилиндр для выпуска пара наружу, поршень затем опускается. Возвратно-поступательные движения по классике преобразуются кривошипом во вращение вала генератора.

Шаг второй. Как сделать цилиндр и золотниковую трубку
От антенной трубки нужно отрезать три куска, первый должен быть длиной 38 мм и 8 мм в диаметре. Это будет цилиндр. Второй кусок должен быть длиной 30 мм, а диаметром 4 мм. Третий же кусок должен быть длиной 6 мм и толщиной 4 мм.

Во второй трубке нужно сделать отверстие диаметром 4 мм, оно должно находиться по центру. Третью трубку нужно перпендикулярно приклеить ко второй, для этого используется суперклей. Когда клей высохнет, сверху все замазывается холодной сваркой.

К третьему куску нужно прикрепить металлическую шайбу, после высыхания нужно также все зафиксировать холодной сваркой. Когда сварка высохнет, сверху швы нужно обработать эпоксидной смолой для максимальной прочности и герметичности.

Шаг третий. Изготовления поршня и шатуна
Поршень изготавливается из болта диаметром 7 мм. Для этого его нужно закрепить в тисках и намотать сверху медную проволоку, всего понадобится сделать порядка 6-ти витков, в зависимости от диаметра проволоки. Затем проволока пропитывается эпоксидной смолой. Лишний край болта можно отрезать. Далее, когда смола высохнет, понадобится поработать наждачной бумагой, чтобы подогнать поршень под диаметр цилиндра. В итоге поршень должен двигаться легко, но при этом не должен пропускать воздух.

Для крепления шатуна на поршне нужно сделать специальный кронштейн, он делается из листового алюминия. Ее нужно выгнуть в виде буквы «П», на краях сверлятся отверстия, диаметр отверстия должен быть таким, чтобы в него можно было выставить велосипедную спицу. Кронштейн приклеивается к поршню.

Что касается шатуна, то его делают из велосипедной спицы, на ее краях устанавливаются кусочки трубочек от антенны длиной и диаметром по 3 мм. Что касается длины, то расстояние между центрами шатуна равно 50 мм. Шатун соединяется с поршнем шарнирно, при помощи «П»-образного кронштейна, а также куска велосипедной спицы. Чтобы спица не выпала, ее с обоих концов нужно приклеить.

Шатун треугольника изготавливается подобным образом, но здесь с одной стороны будет кусок спицы, а с другой трубка. Длина такого шатуна составляет 75 мм.

Шаг четвертый. Золотник и треугольник
Треугольник нужно вырезать из листа металла, в нем сверлится три отверстия. Что касается поршня золотника, то его длина составляет 3.5 мм, нужно добиться его свободного перемещения в трубке золотника. Длина штока может быть разной, здесь все зависит от маховика.

Подпорки лучше всего делать из брусков, они подбираются индивидуально. Что касается кривошипа поршневой тяги, то он должен быть 8 мм, а кривошип золотника составляет 4 мм.

Шаг пятый. Паровой котел. Заключительный этап
В качестве котла автор использовал панку из под оливок с запаянной крышкой. Чтобы в котел можно было заливать воду, к крышке нужно припаять гайку, в качестве крышки используется болт. К крышке нужно припаять трубку.

Впоследствии двигатель собирается на деревянной платформе, под каждый элемент применяются подпорки. Как работает двигатель, можно увидеть на видео.

Предыдущая статья: Как разместить гардеробную в кладовке хрущевки, фото вариантов Следующая статья: На какой высоте выполняется контур заземления