DE 5 HUVUDTYPERNA ÅNGMOTORER - TEKNOLOGI - 2025

De olika typerna av ångmotorer har genomgått många förändringar genom historien och tekniken har kontinuerligt gjort det möjligt för dem att utvecklas på ett anmärkningsvärt sätt.

I grund och botten är ångmotorer externa förbränningsmotorer som omvandlar den termiska energin i vattenånga till mekanisk energi. De har använts för att driva pumpar, lok, fartyg och traktorer, och var vid tidpunkten nödvändiga för den industriella revolutionen. För närvarande används de för produktion av elektrisk energi med ångturbiner.

En ångmotor består av en panna som används för att koka vatten och producera ånga. Ångan expanderar och trycker på en kolv eller turbin, vars rörelse gör arbetet med att vrida hjulen eller köra andra maskiner.

Den första ångmotorn utformades av Heron av Alexandria under 1000-talet och kallades Eolipila. Den bestod av en ihålig sfär ansluten till en panna till vilken två böjda rör fästs. Sfären fylldes med vatten som kokades, vilket fick ångan att släppas ut genom rören med hög hastighet, vilket fick bollen att snurra.

Även om eolipila inte hade något praktiskt syfte, representerar det utan tvekan den första implementeringen av ånga som en framdrivningskälla.

Herons Aeolipian

De flesta system som använder ånga kan emellertid delas in i två typer: kolvmaskiner och ångturbiner.

Huvudtyper av ångmotorer

1- Kolvmaskiner

Kolvmaskiner använder ånga under tryck. Genom dubbelverkande kolvar kommer tryckånga växelvis in på varje sida medan den på den andra frigörs eller skickas till en kondensor.

Energin absorberas av en glidstång förseglad mot ånga. Denna stång driver i sin tur en anslutningsstav som är ansluten till en vev för att omvandla den fram- och återgående rörelsen till roterande rörelse.

Dessutom används en annan vev för att driva ventilväxeln, vanligtvis genom en mekanism som möjliggör vändning av rotationsrörelsen.

När du använder ett par dubbelverkande kolvar kompenseras vevförskottet med en 90 graders vinkel. Detta säkerställer att motorn alltid går oavsett vilken position vevet är i.

2- Flera expansionsmotorer

En annan typ av ångmotor använder flera enkelverkande cylindrar som successivt ökar i diameter och rörelse. Högtrycksånga från pannan används för att driva den första kolven med mindre diameter ner.

I den uppåtgående rörelsen drivs den delvis expanderade ångan in i en andra cylinder som börjar sin rörelse nedåt. Detta genererar en ytterligare expansion av det relativt höga trycket som frigörs i den första kammaren.

Mellankammaren släpps också ut till den slutliga kammaren, som i sin tur släpps till en kondensor. En modifiering av denna typ av motor innehåller två mindre kolvar i den sista kammaren.

Utvecklingen av denna typ av motor var viktig för dess användning i ångfartyg, eftersom kondensorn, när han återvann lite av kraften, omvandlade ångan till vatten för återanvändning i pannan.

Terrestriska ångmotorer kunde avta mycket av sin ånga och fyllas på nytt från ett sötvattentorn, men till sjöss var detta inte möjligt.

Före och under andra världskriget användes expansionsmotorn i marina fordon som inte behövde gå i hög hastighet. Men när mer hastighet krävdes ersattes den av ångturbinen.

3- Uniflow eller enhetlig flödesmotor

En annan typ av kolvmaskin är uniflow eller enhetlig flödesmotor. Denna typ av motor använder ånga som bara rinner i en riktning i varje hälft av cylindern.

Termisk verkningsgrad uppnås genom att ha en temperaturgradient över cylindern. Ånga kommer alltid in i cylinderns heta ändar och går ut genom öppningar i mitten av kylaren.

Detta resulterar i en minskning av den relativa uppvärmningen och kylningen av cylinderväggarna.

I uniflow-motorer styrs ånginloppet vanligtvis av klappventiler (som fungerar på samma sätt som de som används i förbränningsmotorer) som manövreras av en kamaxel.

Inloppsventiler öppnas för att tillåta ånga när minsta utvidgningsvolym uppnås i början av rörelsen.

Vid ett specifikt ögonblick under vevets sväng kommer trången in och lockets inlopp stängs, vilket möjliggör en kontinuerlig expansion av ångan och manövrerar kolven.

I slutet av slaget kommer kolven att upptäcka en ring av avgashål runt mitten av cylindern.

Dessa hål är anslutna till kondensorn, vilket sänker trycket i kammaren och orsakar en snabb frigöring. Den kontinuerliga rotationen av vevet är det som rör kolven.

4- Ångturbiner

Högeffektiva ångturbiner använder en serie roterande skivor som innehåller en typ av propell-typblad på deras ytterkant. Dessa rörliga skivor eller rotorer växlar med stationära ringar eller statorer, fästa vid turbinstrukturen för att omdirigera ångflödet.

På grund av den höga drifthastigheten är sådana turbiner normalt anslutna till en reduktionsväxel för att driva en annan mekanism såsom en skepps propeller.

Ångturbiner är mer hållbara och kräver mindre underhåll än kolvmaskiner. De producerar också jämnare rotationskrafter på sin utgående axel, vilket bidrar till lägre underhållskrav och mindre slitage.

Den huvudsakliga användningen av ångturbiner är i elproduktionsstationer där deras höga hastighet är en fördel och deras relativa volym inte är en nackdel.

De används också i marina applikationer, driver stora fartyg och ubåtar. Praktiskt taget alla kärnkraftverk producerar el genom att värma vatten och driva ångturbiner.

5- Framdrivningsmotorer

Det finns en framdrivningsmotor under vattnet som använder högtrycksånga för att dra vatten genom ett inlopp framtill och utvisa det med hög hastighet bak.

När ångan kondenserar på vattnet skapar det en chockvåg som driver ut vattnet bakifrån.

För att förbättra motorns verkningsgrad drar motorn in luft genom en ventil framför ångstrålen, vilket skapar luftbubblor och förändrar hur ångan blandas med vattnet.

referenser

1. Marshall Brain (2017). "Hur Steam-motorer fungerar". Hämtad 14 juni 2017 på science.howstuffworks.com.
2. New World Encyclopedia (2015). "Ångmotor". Hämtad den 14 juni 2017 på newworldencyclopedia.org.
3. SOS Children (2008-2009). "Ångmotor". Hämtad den 14 juni 2017 på cs.mcgill.ca.
4. Woodford, Chris (2017). "Ångmotorer". Hämtad den 14 juni 2017 pålainthatstuff.com.