Silnik parowy, parowy silnik tłokowy, silnik cieplny. Wewnętrzna energia rozprężającej się pary wodnej przekształca się w nim w pracę mechaniczną za pośrednictwem tłoka poruszającego się ruchem posuwisto-zwrotnym w cylindrze, do którego doprowadza się z zewnątrz pod ciśnieniem parę wytworzoną w oddzielnym kotle.
Istnieją silniki o działaniu jednostronnym lub dwustronnym oraz o pojedynczym albo kilkakrotnym rozprężaniu pary.
Silnik parowy
Do dziś różnorakie silniki parowe wytwarzają znaczną część zużywanej przez nas energii. Nawet najbardziej zaawansowane technologicznie reaktory jądrowe są zaledwie źródłami ciepła przemieniającymi wodę w parę, która porusza turbiny napędzające generatory prądu.
Pierwsza maszyna parowa została skonstruowana w I wieku n.e. przez greckiego uczonego Herona z Aleksandrii. Była to wydrążona kula zawieszona na dwóch rurkach doprowadzających doń parę z niewielkiego kociołka. Para wypełniała kulę i uchodziła zeń przez dwie inne, odpowiednio wygięte otwarte rurki wyprowadzone z przeciwległych stron kuli. Strumienie wylatującej pary powodowały, że kula obracała się z dużą prędkością. Chociaż interesująca, ta pierwsza turbina parowa nie znalazła żadnego zastosowania praktycznego.
W roku 1698 Anglik, Thomas Savery, zbudował urządzenie, w którym para była schładzana w zamkniętym zbiorniku aż do kondensacji, czyli skroplenia. Ponieważ ciecz zajmuje wielokrotnie mniejszą niż powstały z niej gaz, to podczas tego procesu wytwarzało się znaczne podciśnienie, wykorzystywane do zasysania wody z kopalni.
Maszyna tłokowa
W maszynie skonstruowanej w 1710 roku przez innego Anglika, Thomasa Newcomena, para podnosiła tłok wewnątrz cylindra. Następnie cylinder schładzano, aby spowodować kondensację pary, co zmniejszało ciśnienie wewnątrz cylindra tak dalece, że zewnętrzne ciśnienie atmosferyczne powodowało ruch powrotny tłoka w dół. Z tego powodu konstruktor nazwał swą maszynę "atmosferyczną". Była ona używana do napędu pomp wypompowujących wodę z kopalń. Chociaż znaczenie doskonalsza od urządzenia Savery'ego, maszyna Newcomena była i tak bardzo powolna i nieefektywna. Brało się to stąd, że po schłodzeniu, a przed napuszczeniem nowej porcji pary, cylinder musiał być ponownie rozgrzewany. Inaczej para skraplałaby się natychmiast, zamiast popchnąć tłok do góry.
Silnik Watta
Problem ten został rozwiązany przez szkockiego inżyniera Jamesa Watta. W jego silniku, skonstruowanym w roku 1769, para kondendowała nie w cylindrze lecz w osobnym zbiorniku. Ponieważ cylinder nie był na przemian rozgrzewany i chłodzony, malały straty ciepła w silniku. Silnik Watta był bez porównania szybszy od poprzednika, gdyż nowa porcja pary mogła zostać wpuszczona do cylindra zaraz po tym, jak tłok osiągnął wyjściowe położenie. To i inne usprawiedliwienia uczyniły maszynę parową użyteczną dla przeróżnych zainteresowań.
W epoce wiktoriańskiej lokomotywy parowe zrewolucjonizowały transport lądowy. Ponadto silniki parowe napędzały maszyny drukarskie, przędzalnie, tkalnie a także maszyny pralnicze w "pralniach parowych". Maszyny parowe poruszały karuzele w wesołych miasteczkach, a niektórzy farmerzy używali energii pary do prac polowych. Używano napędzanych parą odkurzaczy, istniały nawet parowe urządzenia do masażu skóry głowy, zainstalowane w najelegantszych zakładach fryzjerskich
Ruch obrotowy
We wczesnych silnikach parowych tłok wykonywał w cylindrze ruch posuwisto-zwrotny, który należało mechanicznie zamienić na obrotowy. Turbiny parowe pozwalają ominąć ten problem, gdyż w nich para obraca wirnik. Pierwsze eksperymenty z turbinami parowymi przeprowadzana na początku XIX wieku, lecz efektywnie działające urządzenie powstało dopiero w 1884 roku, zbudowane także przez Anglika, Charlesa Parsonsa. Zaledwie w kilka lat po zbudowaniu prototypu, turbiny Parsonsa napędzały generatory prądu i obracały śrubami parowców.
Przemiana energii
Zarówno silniki jak i turbiny parowe zamieniają energię cieplną w mechaniczną. Ciepło wydzielane w procesie spalania paliwa używane jest po prostu do gotowania wody, która zmieniając się w parę zwiększa swą objętość 1600 razy. To właśnie sprężona para powoduje ruch. W silnikach tłokowych rozprężając się popycha tłok w cylindrze, w turbinach zaś uderzając w łopatki obraca wirniki. W obu przypadkach rozprężając się traci swą energię.
Wszystkie maszyny parowe, zarówno tłokowe jak i turbiny, są silnikami o spalaniu zewnętrznym, gdyż energia cieplna jest uzyskiwana na zewnątrz silnika. Para wytwarzana jest w kotłach opalanych węglem, gazem czy ropą. W elektrowniach jądrowych ciepło niezbędne do produkcji pary uzyskiwane jest z reakcji jądrowych.
Podwójne działanie
W prostym silniku parowym ciśnienie pary porusza tłok działając na niego z jednej strony. W bardziej skomplikowanych urządzeniach obie strony tłoka wykorzystywane są do produkcji energii mechanicznej. Najpierw parę wpuszcza się z jednej strony tłoka, aby poruszyła nim w przód. Następnie para wpuszczana jest z drugiej strony, co powoduje ruch powrotny tłoka. Z tego względu silniki takie nazywane są silnikami o podwójnym działaniu.
Wszystko rozpoczyna się w momencie, gdy para jest wpuszczana z jednej strony cylindra przez zawór wlotowy. Zawór ten następnie zamyka się, a para rozprężając się porusza tłokiem do przodu. Potem para wpuszczana jest przez analogiczny zawór po drugiej stronie cylindra, przepychając tłok w tył. Jednocześnie rozprężona para z przeciwnej strony jest wypychana na zewnątrz przez otwarty wylotowy. Para jest doprowadzana naprzemiennie do każdej ze stron cylindra, przy czym strona przeciwna automatycznie podłączana jest do kanału wylotowego.
W większości silników zarówno wlot jak i wylot pary odbywa się poprzez pojedynczy zawór suwakowy. Przesuwając się w przód i w tył łączy on odpowiednią część cylindra na przemian raz z wlotem a raz z wylotem pary. W niektórych dużych silnikach stosuje się oddzielne zawory z każdej strony tłoka.
Mechanizm korbowy
Posuwisto-zwrotny ruch tłoka zamieniany jest na ruch obrotowy za pomocą mechanizmu korbowego. Jest to ramię zamocowane do ciężkiego koła zamachowego i połączone z tłokiem za pośrednictwem korbowodu. Wraz z ruchem tłoka w przód i w tył mechanizm korbowy obraca kołem zamachowym, którego duży moment bezwładności pozwala na zachowanie stałej prędkości obrotowej niezależnie od fazy ruchu tłoka.
Podczas rozprężania pary wodnej w cylindrze spada temperatura. Podobne zjawisko można łatwo zaobserwować podczas rozpylani aerozolu. Gwałtowne rozprężanie gazu powoduje jego ochłodzenie. W podstawowym modelu silnika dwustronnego działania cylinder jest schładzany w ten sposób tuż przed wpuszczeniem pary z drugiej strony.
Jeżeli zmiana ciśnienia pary w cylindrze jest znaczna, to stowarzyszone z nią ochłodzenie tłoka i ścian cylindra powoduje duże straty ciepła w silniku. Można je wyrównać zużywając więcej paliwa, lecz to z kolei obniża sprawność silnika. Zmianę temperatury w silniku można także zmniejszyć nie dopuszczając do znacznego rozprężania pary wewnątrz cylindra. To jednak obniża moc urządzenia.
Silniki sprzężone
Problem ten rozwiązuje się przez najpierw rozprężyć się trochę w niewielkim cylindrze wysokociśnieniowym, a następnie dopiero w dużym cylindrze niskociśnieniowym. Silniki parowe, w których para rozpręża się kolejno w dwóch lub więcej cylindrach, nazywamy sprzężonymi. Silniki potrójnie sprzężone składają się na przykład z cylindra wysoko, pośrednio i niskociśnieniowego. Silniki takie były szeroko używane na statkach, niektóre niemieckie jednostki były napędzane przez silniki aż czterostopniowe.
Silniki przelotowe
Silniki przelotowe skonstruowano z myślą o zmniejszeniu strat ciepła poprzez zmniejszenie zmian temperatury w cylindrze. Para wprowadzana z jednego końca rozpręża się popychając tłok, który pod koniec swego ruchu odsłania położony po środku otwór wylotowy. Rozprężona para uchodzi właśnie tamtędy, a nie otworem wlotowym. Cylinder pozostaje cieplejszy na obu końcach i chłodniejszy po środku, gdzie ma kontakt z rozprężaną parą. Żadna część cylindra nie jest narażona przy tym na większe zmiany temperatury, co zmniejsza straty.
Turbiny parowe
Podstawową częścią roboczą turbiny jest wirnik, z zamontowanymi nań łopatkami. Znajduje się on wewnątrz obudowy z zamocowanymi łopatkami stałymi ukierunkowującymi przepływ strumienia pary. Wirnik obracany jest przez parę o wysokim ciśnieniu, uderzającą w łopatki.
Para dostaje się do wnętrza obudowy turbiny dyszami. Wewnątrz rozpręża się, gwałtownie zwiększając swoją objętość. Jednocześnie cząstki pary uzyskują bardzo wysoką prędkość przekraczającą nawet kilkakrotnie prędkość dźwięku. Na przykład w trakcie rozprężania od ciśnienia 12 atmosfer do pół atmosfery para uzyskuje prędkość około 1100m/s.
Turbiny okrętowe
Na niektórych statkach turbina parowa napędza generator zasilający silniki elektryczne, które z kolei poruszają śrubą napędową. Na innych turbina napędza śrubę za pośrednictwem przekładni mechanicznych redukujących jej wielką prędkość. Śruba powinna obracać się stosunkowo powoli by efektywnie napędzać statek.
Na dużych jednostkach zamiast jednej dużej turbiny instalowane są obok siebie dwie mniejsze, podłączone do tego samego źródła pary. Jest to sposób na zredukowanie wymiarów silnika, a taką turbinę nazywamy dwu wałową.
Elektrownie
W elektrowniach wielkie turbiny parowe napędzają generatory. Zwykle przy mocach do 300 MW zespól wirników osadzonych na jednym wale napędza jeden generator. Przy wyższych mocach jedna wieloczłonowa turbina dwu wałowa napędza oddzielne generatory.
Generatory wytwarzają prąd przemienny, czyli taki, którego kierunek przepływu zmienia się wielokrotnie w ciągu sekundy.
