Parní stroj - 1. díl

🛠️ Co je parní stroj?

Parní stroj je tepelné zařízení, které přeměňuje tepelnou energii páry na mechanickou práci.

Funguje na principu roztahování a stlačování páry v pracovním válci.

Pára je skupenstvím vody, která vzniká varem vody a její přeměnou právě na páru.

Héronova baňka

"Baňka pára" (parní baňka) se obvykle odkazuje na Heronovu baňku, což je zařízení, které demonstruje princip akce a reakce pomocí páry. Funguje tak, že se voda zahřívá v baňce, pára uniká tryskami a roztáčí baňku v opačném směru.
Heronova parní baňka – princip a popis:
Princip:
Zákon zachování hybnosti. Teplá voda se mění na páru, která uniká tryskami a tím roztáčí baňku.
Popis:
Skládá se z koule nebo baňky s tryskami. Trysky jsou otočné a voda se zahřívá v dolní části baňky.
Funkce:
Když voda dosáhne bodu varu, pára uniká tryskami, a to způsobí rotaci baňky.

Jednočinný vs. dvoučinný parní stroj

Jednočinný stroj:

• Pára působí jen z jedné strany pístu.
• Druhá strana je volná (většinou otevřená do atmosféry).
• Pracovní tah se uskutečňuje pouze při pohybu pístu jedním směrem.
• Při zpětném pohybu pístu se žádná práce nekoná – jen návrat do výchozí polohy.

Dvoučinný stroj:

• Pára je střídavě přiváděna na obě strany pístu.
• V obou směrech pohybu pístu je vykonávána práce.
• Díky tomu je účinnost vyšší, chod plynulejší a stroj může pracovat s větší silou.

Jak funguje dvoučinný parní stroj:

• Pára vstupuje na jednu stranu pístu a tlačí ho.
• Zároveň je pára z druhé strany odváděna.
• Když píst dojede na konec dráhy, ventilový mechanismus přepne proudění páry:
• Nová pára vstoupí na druhou stranu, původní strana se otevře k výfuku.
• Tím se píst vrací a zároveň znovu vykonává práci.
• Tento cyklus se stále opakuje.

Výhody dvoučinného stroje:

• Vyšší účinnost a výkon.
• Vyrovnanější chod (menší vibrace).
• Méně přetížení konstrukce díky rovnoměrnějším silám.

Obrázek parního pístu dvojčinného stroje by znázorňoval píst, který se pohybuje tam a zpět v cylindrické komoře a je poháněn párou. Dvojčinný znamená, že pára působí na obě strany pístu, což umožňuje efektivnější využití energie páry.

Parní stroj (dvojčinný):

• Píst: Nachází se v cylindru a pohybuje se přímočaře.
• Cylindr: Komora, ve které se pohybuje píst.
• Parní prostor: Prostor nad a pod pístem, kam je přiváděna pára.
• Dvojčinný: Pára je přiváděna střídavě na obě strany pístu, čímž dochází k jeho pohybu tam a zpět.
• Přívod a odvod páry: Ventily řídí tok páry do a z parního prostoru.
• Kojka: Mechanismus, který převádí přímočarý pohyb pístu na rotační pohyb hřídele.
• Hřídel: Otáčivý prvek, který přenáší energii na další stroje.

Zdroje obrázků: https://cs.wikipedia.org/wiki/Parní_stroj 

Najdete tam přímo i animace.

Proč je dobré, že pára působí na obě strany pístu?

Větší účinnost:

• V jednočinném stroji se práce vykonává jen při jednom směru pohybu pístu – druhý směr je „mrtvý tah".
• V dvoučinném stroji pára tlačí střídavě z obou stran, takže píst vykonává práci v obou směrech – žádné mrtvé tahy → větší výkon.

Plynulejší chod:

• Síla působí rovnoměrněji.
• Díky setrvačníku a střídavé práci na obou stranách je chod motoru hladší a stabilnější – což je důležité třeba pro jízdu lokomotivy.

Lepší využití páry:

• Díky střídání stran se pára efektivněji využije – méně ztrát.

Směr pohybu pístu sám o sobě neurčuje směr jízdy lokomotivy.

Píst v dvoučinném stroji stále střídavě jezdí tam a zpět, ať lokomotiva jede dopředu nebo dozadu.

Co tedy určuje směr jízdy?

• Změna směru jízdy = změna rozvodu páry

Aby se změnil směr otáčení kol lokomotivy, musí se:

• změnit časování ventilů, které pouští páru do válce – pára se pustí na opačnou stranu pístu, než při jízdě vpřed.

Toho se dosahuje pomocí:

• šoupátkového rozvodu (např. Stephensonův rozvod) nebo
• kulisového mechanismu – strojvedoucí přepne páku a tím změní chod stroje.

Shrnutí:

• Dvoučinný stroj má píst, který vykonává práci v obou směrech – vyšší účinnost.
• Směr pohybu lokomotivy nezávisí na směru pístu, ale na nastavení ventilového rozvodu, který určí, z které strany pára působí jako „první".
• Píst v každém případě jezdí tam a zpět – bez ohledu na to, jestli lokomotiva jede dopředu nebo dozadu.

Jak ventilový rozvod řídí směr jízdy lokomotivy?

ZÁKLADNÍ PRINCIP

• Parní stroj má píst, který se neustále pohybuje tam a zpět – to je základní pohyb.
• Ale směr otáčení kol lokomotivy (vpřed nebo vzad) nezávisí na tom, jestli píst jede zrovna doleva nebo doprava. Závisí na tom, kdy a kam je pára vpuštěna.
• Tohle řídí ventilový rozvod – systém, který časuje, kdy pára přijde na kterou stranu pístu.

 CO DĚLÁ VENTILOVÝ ROZVOD

• Ventilový rozvod (např. Stephensonův) ovládá tzv. šoupátko (malý píst, co rozděluje páru).
• Pomáhá určit dvě věci:
  • Kdy má být pára vpuštěna do válce.
  • Na kterou stranu pístu bude pára působit jako hnací síla.

JAK ZMĚNÍME SMĚR JÍZDY

Když chce strojvedoucí změnit směr jízdy (např. z „vpřed" na „vzad"), změní polohu ovládací páky rozvodu.

Tím:

• Přepne rozvod tak, že:
  • pára je vpuštěna nejdřív na opačnou stranu pístu než předtím.
  • Zároveň se opačná strana pístu stane výfukovou stranou.

PŘÍKLAD

• Když jede lokomotiva dopředu:
  • Pára je vpuštěna např. na levou stranu pístu, píst se posune doprava.
  • Pak se pára pustí na pravou stranu, píst se vrací doleva.
  • Tento rytmus pohání kola tak, aby se otáčela vpřed.
• Když se má jet dozadu:
  • Páka rozvodu se přepne.
  • Pára je teď vpuštěna nejdřív na pravou stranu pístu, takže ho tlačí doleva.
  • Tím se kola otáčejí opačným směrem.

Píst parního stroje má vratný – ne rotační – pohyb

Píst se pohybuje lineárně: tam a zpět.

• Tento pohyb se převádí na rotační pohyb kol pomocí tzv. ojnice a kliky (mechanismus podobný jako v automobilu).

Proč je přenos síly asymetrický (ne rovnoměrný)?

• Síla zabírá nerovnoměrně během jednoho cyklu pístu:
  • Píst tlačí silněji, když je přibližně v polovině svého pohybu – tehdy je síla nejúčinnější.
  • Na začátku a konci pohybu (tzv. „mrtvé body") je účinnost téměř nulová – píst se jen těžko rozbíhá nebo zastavuje.
• Ojnice a klika mění směr a účinek síly:
  • Ojnice je šikmá, takže úhel, pod kterým píst tlačí na kliku, nepřenáší sílu rovnoměrně během celého zdvihu.

Výsledkem je, že hnací kolo zabírá silněji na jedné části svého otočení než na jiné.

Pohyb vpřed a vzad není stejně silný (mechanicky):

• I když pára tlačí na obě strany pístu, kvůli konstrukci (např. pístní tyč zabírá místo na jedné straně) není plocha obou stran pístu úplně stejná, což způsobí drobnou asymetrii ve výkonu při obou směrech tahu.

Jak se to vyrovnává v praxi?

• Dvouválcové (nebo víceválcové) lokomotivy:
  • Většina lokomotiv má dva válce posunuté o 90° ve fázi.
  • Když je jeden píst ve „mrtvém bodě", druhý je v nejsilnějším záběru – zajišťuje plynulý chod.
• Setrvačník a hmotnost kol:
  • Kola lokomotivy mají velkou setrvačnost – ta pomáhá překlenout slabší části cyklu.

Shrnutí:

• Pístní pohon je přirozeně asymetrický, protože lineární pohyb se převádí přes kliku a ojnici, což způsobuje proměnlivou účinnost během jednoho otočení kol.
• Asymetrie se vyrovnává fázovým posunem více válců a setrvačností hnacího ústrojí.
• Lokomotiva tak může jet plynule, i když jednotlivé záběry nejsou symetricky silné.

Asymetrické zabírání kol má zajistit, že vždy aspoň jedno hnací kolo táhne

• V parní lokomotivě jsou dva válce (většinou na každé straně jeden).
• Jsou nastavené tak, že jejich písty nepracují současně stejně – jejich pohyb je posunutý o 90°.
• Díky tomu když jeden píst zrovna prochází mrtvým bodem (kdy nemůže pořádně táhnout), druhý píst je v plném záběru.

Asymetrie je záměrná a praktická.

• Doplňující logika:
  • Představ si, že by oba písty táhly ve stejný okamžik – a taky oba měly mrtvý bod ve stejný okamžik.
  • Lokomotiva by se v tu chvíli nemohla rozjet ani pokračovat – stála by jako tvrdé Y. 😄
• Takže díky posunutí (asymetrii) jeden zabírá, zatímco druhý „odpočívá" nebo se rozbíhá.

To je důvod, proč parní lokomotiva nikdy nezůstane stát jen kvůli tomu, že jeden píst je zrovna mimo sílu.

A když to shrneme jednoduše:
„Písty jsou schválně rozhozené tak, aby když jeden nemůže, druhý to vzal za něj. A kolo se vždycky pohne."

 ......

 „Říká se, že existuje místo, kde píst rozmlouvá s párou.

Ale jen ti, kdo slyší rytmus válce, mohou najít cestu.

A když už víš, že tady se šoupátko jemně usmívá... možná už jsi blízko.

Tady se to šine."