Парова тяга усе ще забезпечує значну частину необхідної нам енергії. Навіть найкращі з сучасних атомних реакторів усього лише джерела тепла, що перетворюють воду в пару для обертання турбін, з'єднаних з електрогенераторами.
Перша парова машина була винайдена в I ст. е.. грецьким інженером Геро Олександрійським. Порожній куля була рухливо закріплений на двох трубах, через які подавалася пара з невеликого котла. Пар наповнював кулю і виходив через дві трубки, що відходять від протилежних його боків. Струмені пари, що виходить змушували куля обертатися. Хоча цей пристрій і представляло певний інтерес, в ті часи воно виявилося марним.
Перша парова машина, що знайшла практичне застосування, була створена в 1698 р англійським інженером Томасом Севері. Пар охолоджувався в камері до утворення конденсату. У результаті різкого зменшення обсягу виникав парціальний вакуум, використовуваний для відкачування води з вугільних шахт.
Сила поршня
У двигуні, винайденому англійським інженером Томасом Ньюкоменом ок. 1710 р, пара усередині циліндра штовхав нагору поршень. За тим циліндр охолоджували, щоб сконденсувати пар і повернути поршень у нижнє положення. При конденсації пари тиск у циліндрі падало, і атмосферного тиску було достатньо, щоб поршень опустився вниз. Тому Ньюкомен назвав свій двигун пароатмосферним. Він застосовувався для роботи шахтних насосів. Хоча ефективність цього двигуна була вище, ніж у машини Севері, він працював дуже повільно і з низьким ККД. Це пояснюється тим, що після охолодження циліндр потрібно було знову нагрівати, щоб змусити пару штовхати поршень нагору, інакше він би відразу конденсувався.
Двигун Уатта
Цю проблему вирішив шотландський інженер Джеймс Уатт.В створеному ним у 1769 р двигуні пар направлявся в окрему камеру для конденсації.
Так як циліндр не потрібно було по черзі нагрівати і охолоджувати, теплові втрати двигуна були відносно невеликими. Крім того, двигун Уатта був більш швидкодіючим, оскільки можна було подавати більша кількість пари в циліндр, як тільки поршень повертався у своє вихідне положення. Завдяки цьому та іншим удосконаленням, придуманим Уаттом, для парової машини знайшлися численні практичні застосування.
До настання вікторіанської епохи потужні паровози зробили революцію в засобах пересування по суші. Парові машини також забезпечували енергію для друкування газет, ткацтва і для роботи пральних машин в "парових" пралень. Парові двигуни використовувалися на майданчиках атракціонів, а фермери за допомогою парової тяги орали землю. Прибиральники користувалися працюючими на пару пилососами, а в престижних міських перукарень були навіть щітки для масажу шкіри голови з паровим приводом.
Обертальний рух
У більшості перших парових машин рухаються в циліндрах поршні створювали зворотно-поступальний рух, який потім можна було перетворювати в обертовий рух за допомогою механічних пристроїв.
Маркіз де Діон був одним з родоначальників автомобілебудування у Франції. На фото він управляє триколісним автомобілем з паровим двигуном, який був побудований їм в 1897 р. Двигун встановлений спереду і має привід на заднє колесо.
Парові турбіни відразу перетворять енергію пари в обертовий рух. У XIX в деякі винахідники експериментували з паровими турбінами, але тільки в 1884 р англійський інженер Чарльз Парсонс створив рентабельну й працездатну конструкцію. Через кілька років після винаходу, його турбіни стали використовуватися на судах і в генераторах струму
Перетворення енергії
Парові двигуни і турбіни перетворюють тепло в енергію. При цьому тепло від спалювання палива йде на кип'ятіння води, обсяг якої в пароподібному стані збільшується в 1600 разів, а тиск пари створює рух. У поршневих двигунах пар розширюється в циліндрі і штовхає поршень.
Двоциліндровий паровий двигун з високим ступенем стиснення був раніше встановлений на невеликому вантажному судні.
У парових турбінах пара обертає оснащені лопатками ротори. В обох випадках пар віддає теплову енергію
Парові двигуни і турбіни ставляться до двигунів зовнішнього згоряння тому що нагрівання відбувається поза робочою камерою, звичайно за рахунок спалювання палива. Пар виробляють в казанах, що нагріваються при спалюванні нафти або вугілля. На атомних електростанціях тепло забезпечують ядерні реакції.
Подвійна дія
У простих парових машинах пар створює тиск на одній стороні циліндра, змушуючи його рухатися. Але в більшості парових двигунів обидві сторони поршня використовуються для одержання механічної енергії. Спочатку пара потрапляє на одну сторону і рухає поршень вперед, а потім на іншу сторону, повертаючи його назад. Тому такі двигуни називаються двигунами подвійної дії.
Робочий цикл починається з подачі пари на одну сторону циліндра через вхідний отвір, після чого воно закривається, а пара, розширюючись, штовхає поршень униз по циліндру Потім пара надходить на іншу сторону поршня, змушуючи його вертатися назад при цьому пара на першій стороні виходить через вихлопний отвір Пар черзі подається на одну зі сторін поршня, а інша сторона автоматично з'єднується з вихлопним отвором.
У більшості парових двигунів усім робочим циклом кожного поршня управляє один D-образний клапан. Він ковзає взад-вперед, забезпечуючи необхідну з'єднання із вхідним і вихлопним отворами пари. У деяких великих парових двигунів окремі клапани є по обидві сторони поршня.
Колінчастий вал
Зворотно поступальний рух перетвориться в обертовий за допомогою шатуна й колінчатого вала. Колінчастий вал - це важіль, з'єднаний з важким маховиком а шатун з'єднує цей вал з поршнем або його штоком. При русі поршня вперед і назад колінчастий вал обертається, а маховик вирівнює створюване обертальне зусилля.
Температура пари падає при його розширенні в циліндрі. Подібний ефект можна спостерігати, використовуючи аерозольний балон завдяки розширенню газу витискувача виникає відчуття прохолоди від струменя аерозолю. У простому паровому двигуні подвійної дії пар, розширюючись, прохолоджує ту частину циліндра, куди буде подаватися свіжа пара.
При сильному розширенні пари охолоджуючий ефект може викликати більші теплові втрати у двигуні. Ці втрати можна компенсувати за рахунок спалювання більшої кількості палива, але при цьому знижується ККД двигуна. Температурні зміни можна зменшити, якщо обмежити тиск подаваного в циліндр пари для зниження ступеня його розширення. Однак при цьому стає менше і потужність двигуна.
Компаунди
Ця проблема вирішується, якщо дозволити пару спочатку частково розширитися в малому циліндрі високого тиску. Потім відпрацював пара надходить у більший циліндр низького тиску, де відбувається його подальше розширення. Парові машини з двома або кількома такими циліндрами називаються комбінованими двигунами або компаундами.
Двигуни з триразовим розширенням - це компаунди з циліндрами високого, середнього та низького тиску. Такі двигуни широко застосовувалися на судах, а деякі німецькі кораблі оснащувалися двигунами з четвертої щаблем розширення.
Прямоточні двигуни
Прямоточні двигуни дозволяють знизити теплові втрати за рахунок різкого зменшення коливань температури в циліндрі. Пара, що подається в різні частини циліндра, розширюється й випускається через кільце вихлопних отворів у його центрі. Тому циліндр залишається відносно гарячим по краях і більш прохолодним у середній частині, де він контактує з розширеним парою. Теплові втрати введені до мінімуму, тому що ні одна частина циліндра не зазнає великих змін температури.
Турбіни
Головним робочим органом турбіни є ротор, оснащений рядом лопаток. Він знаходиться всередині корпусу з нерухомими лопатками, що направляють потік пари. Пара високого тиску обертає ротор.
Пара поступає в корпус турбіни через сопла. При випуску пари його тиск падає, і він розширюється. Це призводить до збільшення його швидкості, яка може в кілька разів перевищувати швидкість звуку. Так, при розширенні пари й падінні його тиску з 12 атм. до 0,5 атм. досягається швидкість приблизно 1100 м / с.
Висока швидкість, більша енергія
Рухомий з такою швидкістю пар має велику енергію, але вона не вся легко передається лопатей ротора турбіни. Для максимальної передачі енергії пари турбіні її лопатки повинні обертатися зі швидкістю, яка у два рази менше швидкості пара. Але найчастіше цього важко добитися, і втрати енергії можуть бути більшими. Один із шляхів вирішення даної проблеми - установка декількох рядів лопаток турбіни, щоб тиск поступово знижувалося на кожному з них. Такі турбіни називаються компаундированного щодо тиску. Довжина лопаток поступово збільшується в напрямку від впускного до випускного каналу, щоб пару було де розширюватися.
У деяких турбінах пар, пройшовши один ряд лопаток, без подальшого розширення направляється на другий, а іноді й на третій ряд. Турбіни такого типу називаються компаундированного за швидкістю.
Суднові турбіни
На одних пароплавах турбіни використовуються як привід для електрогенератора, який виробляє енергію для електродвигуна, який обертає гребний гвинт. На інших судах турбіна обертає гребний гвинт через ряд редукторів, що знижують швидкість обертання до відносно малої величини, необхідної для економічної роботи гвинта.
На великих судах замість одного довгого ротора турбіни можна встановити пліч-о-пліч два коротших ротора, з'єднаних з одним джерелом пари. Це дозволяє зменшити загальну довжину двигуна. Такі ротори називаються перехресно-компаундированного.
Електростанції
Гігантські турбіни електростанцій служать приводами для генераторів струму. При потужностях до 300 МВт (300 000 кВт) одна лінія роторів турбіни використовується для одного генератора. При великих потужностях два перехресно-компаундированного ротора підключені до окремих генераторів.
Генератори електростанцій виробляють змінний струм. Такий струм міняє свій напрямок багато разів за секунду.
Частота мережі
За сформованою технічної традиції, що стала з часом промисловим стандартом, в більшості країн і Західної, і Східної Європи системи електропостачання забезпечують подачу струму, що здійснює 50 циклів (циклом називаються два повних зміни напрямку) у секунду. Це - частота мережі, що виражається в герцах (Гц) і рівна в даному випадку 50 Гц. (1 Гц = 1 цикл в секунду.)
Частота вироблюваного струму залежить від швидкості обертання турбін і генераторів. Для виробництва струму частотою 50 Гц швидкість обертання турбіни повинна бути 3000 об. / хв У Північній Америці частота мереж електропостачання 60 Гц забезпечується за рахунок швидкості обертання турбін 3600 об. / хв.