На фиг. 10 для сравнения совмещены в Vp-координатах индика­торная диаграмма реальной паровой машины и идеальная диаграмма. В обоих циклах участвует одно и то же количество пара. Как видно из фигуры, индикаторная диаграмма значительно отличается от иде­альной. Объясняется это тем, что реальная машина имеет ряд потерь.

а.  Падение давления пара в паропроводе. Свежий пар, посту­пающий в цилиндр машины, имеет давление р₁ меньшее, чем давле­ние в котле р_к, вследствие трения в паропроводе и наличия различных местных сопротивлений (колен, вентилей и проч.).

б.  Мятие пара при впуске. Линия впуска в индикаторной диа­грамме идет не горизонтально, как в идеальной диаграмме, а по наклонной линии ав'. Объясняется это тем, что открытие впускных каналов в начале впуска и закрытие их в конце впуска происходит не мгновенно, а постепенно, и в результате пар, проходя через узкую щель, мнется, что, как известно, сопровождается падением его дав­ления.

в.  Теплообмен. В идеальном цикле считалось, что расширение пара происходит по адиабате, т. е. без теплообмена. В действитель­ности пар в машине находится в состоянии постоянного теплообмена с окружающими его металлическими стенками цилиндра. Кроме того, имеет место пропуск части пара через неплотности. Поэтому расши­рений происходит политропно. В начале расширения, когда темпера­тура пара выше температуры стенок, происходит передача тепла стен­кам, и линия расширения располагается ниже адиабаты. В конце расширения, когда температура стенок оказывается выше темпера­туры пара, ему сообщается тепло от стенок, и линия расширения идет выше адиабаты.

Таким образом, расширение в действительности происходит с пере­менным показателем политропы по линии b'с.

г. Неполнота расширения пара. При работе в соответствии с идеальной диаграммой пар должен расширяться до давления

выпуска, т. е. до давления в конденса­торе. При этом потребовались бы цилин­дры слишком больших размеров, что практически нецелесообразно, так как машина получилась бы громоздкой, тяжелой, дорогой в изготовлении и неэкономичной. В действитель­ности, как это показано на индикаторной диаграмме, выпуск пара начинается в точке с. Пар выпускается с давлением р₂ большим, чем в конденсаторе. Потеря работы пара вследствие неполноты расши­рения наглядно видна при сравнении индикаторной диаграммы с идеальной. Однако работа, какая расходовалась бы в машине с пол­ным расширением на преодоление сил трения поршня о стенки цилин­дра, в значительной мере превзошла бы потерянную работу от не­полноты расширения.

По линии cd осуществляется предварение выпуска, значение которого отмечалось выше. Давление пара во время предварения выпуска должно снизиться до давления, которое будет поддержи­ваться в цилиндре при выпуске.

д. Выпуск пара. При выпуске отработавшего пара в среду (атмо­сферу, конденсатор и проч.) с давлением р_II давление в цилиндре всегда несколько больше давления среды, вследствие сопротивления в паровыпускных органах и отводящем трубопроводе. Поэтому линия выпуска dе идет выше р_II

Эта потеря зависит от длины трубопровода, площади его попереч- пого сечения, шероховатости внутренних поверхностей, от местных сопротивлений и сечения каналов при выходе из цилиндра.

е.  Вредное пространство. Наличие вредного пространства ведет к потере тепла, вызванного заполнением этого пространства паром при впуске в цилиндр.

ж.  Начальная конденсация. Выше уже говорилось о теплообмене поступившего в цилиндр пара со стенками цилиндра; к концу выпуска отработавшего пара стенки охлаждаются, приобретая температуру, близкую к температуре этого пара. Поэтому вновь поступающий све­жий пар, соприкасаясь с относительно холодными стенками цилин­дра, частично конденсируется. Это явление называется начальной конденсацией. Убыль пара в цилиндре от этого явле­ния должна восполняться добавочным количеством пара; поэтому расход его вследствие конденсации значительно увеличивается по сравнению с тем количеством, которое требовалось бы для заполне­ния свежим паром объема цилиндра при идеальном процессе. Увели­чение расхода пара приводит к повышению тепловых потерь.

Конденсация свежего пара происходит не только в период его впуска, но и в течение некоторой части периода расширения. Однако температура пара по мере его расширения падает, температура же стенок цилиндра, нагретых паром, остается высокой. Наступает мо­мент, когда температура пара становится меньше температуры сте­нок цилиндра, в результате пар начинает подсушиваться, а конденсат, осевший на стенках, испаряться. Это явление называется вторичным испарением. Вторичное испарение чаще всего начи­нается не раньше конца расширения и продолжается в период вы­пуска, что повышает сопротивление выталкивающему ходу поршня, увеличивая при этом непроизводительную работу. Потеря от началь­ной конденсации при неблагоприятных условиях может достигать 30% общего расхода пара и больше. Для уменьшения этой потери принимают меры.

Перегрев пара является одним из наиболее действенных средств борьбы с начальной конденсацией. Перегретый пар имеет малый коэффициент теплоотдачи; кроме того, конденсация этого пара может начаться лишь после того, как будет израсходована вся теп­лота его перегрева. Поэтому чем больше температура перегрева, тем позднее начнется конденсация и тем, следовательно, меньше будут потери на начальную конденсацию.

Увеличение числа оборотов вала машины приводит к уменьшению начальной конденсации, так как при этом в течение цикла сокращается продолжительность соприкосновения поступившего пара со стенками цилиндра, а следовательно, умень­шается величина теплообмена между ними.

Вредное пространство также влияет на начальную конденсацию. Во вредном пространстве свежий пар соприкасается с относительно холодными стенками, ограничивающими это пространство, и смеши­вается с отработавшим паром низкой температуры. Следовательно, чем больше объем вредного пространства и количество оставшегося отработавшего пара, тем больше потери от начальной конденсации. С уменьшением объема вредного пространства уменьшается началь­ная конденсация и расход пара, а поэтому повышается экономичность паровой машины.

Многократное расширение пара является одним из методов уменьшения потерь от начальной конденсации. Интенсив­ность охлаждения и конденсации пара в цилиндре в значительной мере зависит от разницы между температурой свежего пара, посту­пающего в цилиндр, и средней температурой стенок цилиндра; уменьшение разности этих температур снижает охлаждающее дейст­вие стенок цилиндра. При многократном расширении пар от началь­ного давления р₁ расширяется до заданного противодавления р₂ не в одном цилиндре, а последовательно в нескольких (двух, трех, четырех). Так, в машине трехкратного расширения, имеющей цилин­дры высокого (ц. в. д.), среднего (ц. с. д.) и низкого давления (ц. н. д.), свежий пар с давлением р₁, переходя последовательно в цилиндры, расширяется и снижает свое давление: в ц. в. д. — с р₁ до р'₂, в ц. с. д. — с р'₂ до р”₂ и в ц. н. д. — с р”₂ до заданного противодавле­ния р₂. Таким образом, в этом случае падение давления (р₁ — р₂), а следовательно, и падение температуры (t₁ — t₂) распределяется между тремя цилиндрами; у каждого из них разность между темпера­турами пара, входящего в цилиндр и выходящего из него, меньше, чем у одноцилиндровой машины, почему и уменьшается потеря от внутреннего теплообмена.

При многократном расширении может быть использован в после­дующих цилиндрах пар вторичного испарения и пар, проникший через неплотности из одной полости цилиндра в другую; пропуски пара через неплотности в таких машинах меньше, чем в одноцилинд­ровых, так как меньше разность давлений по обе стороны поршня.

Следует отметить, что в машинах многократного расширения возможно применение пара более .высокого начального давления, так как в каждом цилиндре происходит только частичное расши­рение пара.

Усилия, действующие на поршневой шток и кривошипно-шатунный механизм, в этих машинах меньше, чем в машинах однократного расширения, работающих с теми же параметрами пара. Благодаря этому указанные части машины можно значительно облегчить, а кривошипы цилиндров расположить относительно друг друга так. чтобы обеспечить спокойную работу машины.

К недостаткам машины многократного расширения следует отнести пониженный механический к. п. д. (на 2—3%) по сравнению с маши­ной однократного расширения, несколько повышенную стоимость машины, ремонта и эксплуатации. Однако эти недостатки не умаляют положительных качеств машин многократного расширения.

Наибольшее распространение имеют машины двойного расшире­ния. По расположению цилиндров такого рода машины разделяются на два типа: с параллельными осями цилиндров — компаунд и цилиндрами, расположенными на одной общей оси, — тандем. В компаунд-машинах кривошипные валы могут быть расположены под углом 0, 180 и 90°. На фиг. 11, а кривошипы расположены под углом 90° по отношению друг к другу. Так как при этом периоды вы­пуска пара из ц. в. д. и впуск в ц. н. д. не совпадают по времени, то между цилиндрами включается промежуточный резервуар для пара — ресивер. На фиг. 11,б показана схема машины тандем.

Машины компаунд сложнее машин тандем, но работают спокой­нее, так как момент вращения вала изменяется за один оборот меньше, чем у машин тандем; кроме того, у машин компаунд сила инерции возвратно-поступательных движущихся масс, приходящаяся на один кривошип, меньше, чем у машин тандем.

Паровые рубашки иногда применяют для уменьшения начальной конденсации. Машины с паровыми рубашками имеют цилиндры, и крышки, состоящие из двух стенок, между которыми образуется пространство, заполненное свежим паром. Благодаря этому повышается температура внутренних стенок цилиндра, а следо­вательно, уменьшается начальная конденсация. Однако для запол­нения паровой рубашки затрачивается некоторое количество конден­сирующегося здесь свежего пара, что значительно снижает пользу от ее применения. Для быстроходных машин и машин многократного расширения, работающих на перегретом ларе, паровая рубашка вообще бесполезна, но во всех случаях остается целесообразным обо­грев крышек цилиндра, потеря от начальной конденсации на кото­рых особенно велика. Иногда применяют газовые рубашки, заполняе­мые горячими газами от котла.

В прямоточных машинах (фиг. 12) для впуска пара с обеих сторон цилиндра имеется по одному клапану, выпуск же отра­ботавшего пара производится через окна, прорезанные в стенках цилиндра на середине их длины. При таком устройстве пар от места входа в цилиндр к месту выхода из него движется не изменяя своего направления, поэтому такие машины и получили название прямо­точных.

Окна, через которые производится выпуск отработавшего пара, открыва­ются и закрываются поршнем, для чего длину поршня принимают равной длине его хода S за вычетом длины окон, которая обычно составляет примерно 0,1 S. При таких условиях пар может выходить из цилиндра примерно в про­должение 0,1 хода поршня, а в течение остальных 0,9 хода происходит сжатие пара. Для того чтобы при этом в конце сжатия давление не превзошло давления свежего пара, выпуск осу­ществляют в конденсатор, имеющий глубокий вакуум.

Удачное расположение впускных клапанов в крышках цилиндра и отсутствие выпускных клапанов приводит к тому, что вредное пространство в этих машинах очень мало. По этой причине, а также вследствие отсутствия обратного хода отработавшего пара, наличия обогрева крышек цилиндра и высокой температуры конца сжатия потери от внутреннего темплообмена малы. Кроме того, вследствие большой длины поршня здесь наблюдается меньший перепуск пара. По степени использования пара прямоточные машины могут быть приравнены к машинам двухкратного расширения.

Условная степень наполнения ? также оказы­вает влияние на величину теплообмена пара со стенками, так как с увеличением е возрастает средняя температура стенок. Объясняется это тем, что увеличивается время соприкосновения свежего пара со стенками и степень сухости в конце расширения; последнее ухуд­шает отдачу тепла стенками пару, что также способствует повышению температуры стенок. Кроме того, с увеличением условной степени наполнения уменьшается необходимый объем цилиндра, а поэтому и вредное пространство, что опять-таки влечет к снижению потери от теплообмена. Однако выбор е связан и с другими факторами, о ко­торых будет сказано ниже.

Рассмотренные выше меры, повышающие экономичность работы паровой машины, не являются исчерпывающими. В частности, следует указать на необходимость тщательной изоляции цилиндров, ресиверов и всех промежуточных трубопроводов для уменьшения потерь тепла от излучения в окружающую среду.

Следует помнить также известные из термодинамики положения, что экономичность возрастает с увеличением начальных параметров пара (р₁ и t₁) и с понижением конечного давления р₂. Для умень­шения давления р₂ выпуск производится в конденсатор, в котором пар охлаждается проточной водой и конденсируется, отчего в полости конденсатора создается разрежение.