Agőzgéphőerőgép, amely agőzenergiáját mechanikai munkává alakítja. Az első gőzmeghajtású szerkezetet(eolipila)Alexandriai Hérón találta fel azi. e. 1. században, de az csak érdekesség, játékszer maradt. Az első igazi gőzgép feltalálójakéntJames Wattot tartjuk számon,[1] azonban kifejlesztéséhez sokan hozzájárultak. A modern gőzgép megalkotásától (1769) számítjuk azipari forradalom kezdetét.
A gőzgépetszivattyúk,gőzmozdonyok,gőzhajók és gőzüzeműtraktorok (lokomobilok) hajtására használták, azipari forradalomban szinte kizárólagos energiaforrásként szerepelt. Tulajdonképpen agőzturbina is a gőzgépek egy fajtája, mely jelenleg is fontos szerepet tölt be az energiaellátásban. Ugyancsak asugárhajtóművel működő gőzgép is vízgőz közeggel működik. A gőzgép működtetéséhez szükség van egygőzkazánra, mely a vizet felforralja és nagy nyomású gőzt szolgáltat. Bármely hőforrás használható gőz előállítására, leggyakrabban fa,kőszén és olaj a használatos tüzelőanyagok. (Tulajdonképpen minden égő anyag használható tüzelőanyagként:papír, szemét, fáradtolaj, kukoricacsutka, trágya,földgáz,alkohol, száraz fű, széna, száraz gyom stb.) A gőz kitágul és megmozgat egy dugattyút, ezt a haladó mozgást egymechanizmus általában forgómozgássá alakítja át, mely további gépeket hajt.
Kialakítás szerint a legtöbb gőzgép dugattyús gőzgép vagygőzturbina.
Felhasználás szerint
Stabil gőzgépek: helyhez kötve dolgoznak. További két részre oszlanak:
Gőzgépek, melyeket üzemük közben gyakran le kell állítani és reverzálni (ellenkező irányban elindítani), például a sodrony készítő gépeket vagy acélhengerművet hajtó gőzgépek.
1665-benEdward Somerset,Worcester márkija gőzzel hajtottszivattyút építtetett a Raglan kastély vízellátásához.Denis Papin franciafizikus1687-benLeibniz segítségével elkészítette az első dugattyús gőzgép működő modelljét, mely egy sor hasznos aprósággal rendelkezett, mint például egybiztonsági szeleppel. SirSamuel Morlandnak ugyanebben az időben születtek tervei gőzgépekről.XIV. Lajos király számára több, gőzzel működtetett szivattyút készített 1680 körül. Az első, iparilag használt gőzgépeketThomas Savery („tűz-gép”1698) ésThomas Newcomen (1712) tervezte.Végül1769-benJames Watt szabadalmaztatta a később is használt megoldásokat gőzgépén. Mondhatni, hogy a Watt óta a gőzgépen végzett fejlesztések nem hoztak alapvető újdonságokat, inkább az ő megoldásainak finomításából álltak.Humphrey Gainsborough építette az első kondenzációs gőzgép modelljét az1760-as években.
1802-benWilliam Symington készítette el az első, gyakorlatilag is használható gőzhajtású csónakot,1807-ben pedigRobert Fulton használta fel Watt gőzgépét először sikeresen hajó hajtására. Az első gőzgépeket a lecsapódó gőzvákuumja működtette, míg a későbbi gépek (mint például agőzmozdonyok) a nagynyomású gőz feszítőerejét hasznosítják.
A történelmi Magyarország területén először1804-benKismartonban helyeztek üzembe egy angol gyártmányú gőzgépet.
1830-ban Magyarországon még mindig csak egyetlen gőzgép működött (kivéve a bányákat).1840-ben kilenc,1849-ben már 61 darab volt üzemben.[3]
A gőzgép egyik változata a gőzmotor, melyet 1904-ben Japánban (Torao Yamaha) és Németországban (Stoltz) gyártott, Magyarországon a BCmot vasúti járművekbe építették. Mai változata a Cyclone Technologies gőzmotoros gépkocsija.
Az atmoszferikus gőzgépek első ipari alkalmazásként mély bányák aknáiból vizet szivattyúztak.Newcomen gőzgépében a hengerbe gőzt vezettek, a szivattyú rúdja és dugattyúja a saját súlyánál fogva felfelé mozdította el a gőzgépdugattyúját. A felső holtpontnál elzárták a gőz útját és kinyitottak egy csapot, melyen keresztül vizet porlasztottak a hengerbe. A hidegvíz lecsapta a vízgőzt, vákuum keletkezett a hengerben, és a dugattyú másik oldalára hatólégnyomás megemelte a szivattyú dugattyúját: vizet szivattyúzott a bányából a felszínre. A szivattyú önműködőszelepei gondoskodtak arról, hogy amikor a szivattyú dugattyúja felfelé mozgott, a víz szabadon áramolhasson felfelé, míg a dugattyú lefelé irányuló mozgásakor a szelep zárt, hogy az egyszer már felemelt víz vissza ne csoroghasson. Ugyanígy egy másik szelep, mely a szivattyú szívócsövébe volt beépítve, szíváskor nyitott, nyomáskor zárt, hogy a dugattyú által beszívott víz vissza ne folyjon a bányába.
A gőzgépen az első jelentős újítást 60 évvel későbbJames Watt hajtotta végre a skóciaiGlasgow Greenben, amikor különválasztotta a működtető hengert a kondenzációs kamrától egy szelep segítségével. Ezt követően módszeresen tökéletesítette a gőzgépetBirminghamben, a fejlesztési munka végeredménye Watt gőzgépe lett, jelentősen megjavított hatásfokkal. A következő újítás a kézzel nyitott-zárt szelepek felváltása olyan szelepekkel, melyeket a gőzgép saját maga működtet.
Nicolas-Joseph Cugnot gőzkocsija, a Fardier (1771)
Az ilyen korai atmoszferikus gőzgépek hatásfoka igen korlátozott volt, de üzemük biztonságos volt az alkalmazott kis gőznyomás következtében. Ezekben az időkben a kazánrobbanás ismeretlen volt, legfeljebb a vákuum miatt a külsőlevegő nyomása roppantotta össze a szerkezetet üzemzavar esetén. Az atmoszferikus gépek teljesítményét behatárolta a levegő nyomása, a dugattyú elmozdulása, az égés és gőzképződés viszonyai, és akondenzátor kapacitása. A legnagyobb elméletileg elérhetőhatásfok kicsi volt a víz alacsonyforráspontja (100 °C) és az atmoszferikushoz közeli gőznyomás miatt.
Az atmoszferikus gőzgép hatalmas méretei és óriásitüzelőanyag fogyasztása miatt alkalmatlan volt közlekedési eszközök hajtására, melyet a gyakorlatilag sikertelen próbálkozások igazolták. Az egyik ilyen, a Cugnot-féle gőzkocsi a párizsi Arts et Metiers múzeumban megtekinthető.
1800 táján Richard Trevithick és tőle függetlenül Oliver Evans 1801-ben először építettek nagynyomású gőzgépeket. Ezek a nagynyomású és gyorsjárású gépek elég kis méretekkel rendelkeztek, hogy szállítási célokra is fel lehessen használni. Trevithick 1810-ben másokkal együtt kifejlesztette a Cornish gőzgépet, mely magas nyomású hengerből és egy kis nyomású hengerből állt, mely után a gőzt kondenzátorban csapatták le. A gép egyetlen hátránya az egyenetlen működése volt, ami miatt csak dugattyús szivattyúk hajtására volt alkalmas.
A technológiai fejlődés ezután lehetővé tette a gőzgépek alkalmazását először hajók, majd mozdonyok hajtására is.
A tűzcsöves kazán tipikus alkalmazása a korai gőzhajtású hajókban és csónakokban, valamint agőzmozdonyokban volt. A tűzcsöveskazánban a forró gázok a tűzszekrényből (égéstérből) perforált lemezfalakat összekötő csöveken keresztül áramlanak a füstszekrénybe, majd a kéménybe. A kazán vízszintes vagy függőleges elrendezésű lehet. A függőleges elrendezést egyes hajóknál, lakóházak fűtésére szolgáló kazánoknál és hómaróknál használták. A gőzmozdonyok és az első gőzhajók vízszintes elrendezésű kazánt használtak hosszú kéménnyel, amelyre a megfelelőhuzat miatt volt szükség, mivel nem rendelkeztek aláfúvó vagy elszívó ventilátorral. A gőzmozdonyoknál indulásnál a szükséges huzatot a gőzsugár kémény alá irányításával érik el, ez részleges vákuumot hoz létre a füstszekrényben.
A vízcsöves kazánban a vizet sok párhuzamos csőben melegítik, mely érintkezésben van a füstgázokkal. A vízcsövek egy gőzgyűjtő kamrába csatlakoznak, mely a kazán tetején helyezkedik el. Ennek a rendszernek lényeges előnye, hogy kisebb a veszélye katasztrofális kazánrobbanásnak, mivel nincs sok víz a kazánban, és a nincsenek nagy alkatrészek, melyeket mechanikus roncsolódás érhet. A gőzgyűjtő felett a füstgáz útjában további csöveket is lehet építeni, ezt a részt túlhevítőnek hívják, ez tovább növeli a gőz hőmérsékletét, egyúttal javítva a gőzgép hatásfokát is. A legfejlettebb gőzmozdonyokba szintén építettek túlhevítőt.
Az egyszerűbb kazánokban a víz áramlását a különböző hőmérsékletű folyadékrészek közötti fajsúlykülönbség okozza. Egészen nagy teljesítményű korszerű kazánok kényszeráramlásosak, itt az áramlást szivattyúval biztosítják.
A gőzgépek fejlesztésében a következő lépés a kettős működésű dugattyúk alkalmazása volt. Itt a dugattyú mindkét oldalára hat felváltva a gőz nyomása és ezzel a gőzgép teljesítménye megkétszereződik. A legtöbb dugattyús gőzgép ezt a megoldást alkalmazza ma is. A dugattyúra ható erőt a dugattyúrúd közvetíti, a henger és a dugattyúrúd közé beépített tömítés gondoskodik arról, hogy a gőz ki ne szökjék a dugattyúrúd mellett. A dugattyúrudat a keresztfej vezeti egyenesbe és a dugattyúval ellentétes végén egy csapágyon keresztül a hajtórudat mozgatja, ez a forgattyún keresztül forgatja aforgattyús tengelyt és így a dugattyú haladó mozgását forgó mozgássá alakítja. Egy további forgattyú mozgatja a tolattyút vagy szelepeket, melyek a gőz be- és kiáramlását vezérlik általában egy reverzáló mechanizmuson keresztül, mely a forgásirány megváltoztatását teszi lehetővé.
Ha két hengert alkalmaznak, akkor a forgattyúkat 90°-kal elékelték. Ennek az a célja, hogy a gőzgép a forgattyús tengely bármely helyzetében el tudjon indulni.
A többszörös expanziójú gőzgépnek több (általában három), egyre nagyobb átmérőjű hengere van. A kazánból a gőzt először a legkisebb átmérőjű hengerbe vezetik, miután itt munkát végzett és nyomása lecsökkent, a dugattyú kitolja a gőzt az első kamrába, ahonnan a második, nagyobb hengerbe jut, ahol a gőz tovább expandál, végül a lecsökkent nyomású gőz egy újabb kamrán keresztül a harmadik, legnagyobb átmérőjű hengerbe jut, ahol a munkavégzés befejeződik és a gőz a szabadba, vagy a kondenzátorba távozik.
A mellékelt ábrán látható egy ilyen gőzgép modellje, a gőz balról jobbra áramlik. A tolattyúkamra minden henger bal oldalán helyezkedik el.
Ennek a megoldásnak egy változata az, ahol négy hengert alkalmaznak V elrendezésben, két dugattyú felülete akkora, hogy a hozzájuk tartozó henger helyettesíti az előző konstrukció harmadik hengerét. Ennek előnye, hogy dinamikusan jobban kiegyensúlyozott mechanizmust eredményez.Ennek a megoldásnak fontos szerepe volt a hajók meghajtásánál. A gőzgép után elhelyezett kondenzátorban a gőz lecsapódott és a kondenzvizet csekély veszteséggel vissza lehetett vezetni a kazánba. Stabil gőzgépek a fáradt gőzt egyszerűen a szabadba engedték, és a kazánba állandóan friss vizet tápláltak, ez azonban a hajókon nem volt kivitelezhető, mivel atengervíz sótartalma kicsapódott volna a kazánban és a gőzgépben.
Amásodik világháborúig a hajók hajtását túlnyomórészt gőzgépek végezték, ahol a kissebesség nem jelentett hátrányt. Kivételt képeztek a hadihajók és a gyorsjárású óceánjáró személyszállító hajók, ahol a gőzgépet legyőzte a nagy fordulatszámúgőzturbina hajtás. Az első moderncsatahajónál, aHMS Dreadnoughtnál alkalmazták először a korszerű gőzturbinát a dugattyús gőzgép helyett1905-ben.
Egyes gőzgépekbentolattyú helyettszelepeket használnak, ezeket ugyanúgybütykös tengely nyitja és zárja, mint arobbanó motoroknál. Ennek a konstrukciónak az előnyei: Amennyiben avezértengely több bütyökkel rendelkezik, a vezértengely axiális eltolásával lehetőség van arra, hogy a pillanatnyi üzemállapothoz leginkább megfelelő szelepnyitást és zárást valósítsanak meg. A szelepek megfelelő elhelyezésével elérhető, hogy a gőzgép alkatrészei mindig közel azonos hőmérsékletű gőzzel érintkezzenek, ez az üzembiztonságot növeli.
Nicolas-Joseph Cugnot mutatta be az első működőképes, önjáró, gőzzel hajtott járművet, a gőzkocsit1769-ben. Ez volt tulajdonképpen az elsőgépkocsi. Míg azonban alokomobil, ahogy a gőzerejűtraktort nevezték, nem volt általában sikeres szállítóeszköz, nagyon hasznosnak bizonyult a mezőgazdasági üzemek önjáró erőgépeként, ezért példáulcséplőgépek vagy szénabálázók meghajtására használták.
A gőzhajtású gépkocsik a20. század elején a hagyományos autók komoly vetélytársai voltak. Abelsőégésű motorok végül azért szorították ki az autóknál a gőzgépet, mert indításkor még a speciális kazánok esetén is 30 másodpercet vett igénybe a megfelelő gőznyomás elérése.
A gőzgép legnagyobb előnye az, hogy bármilyen forrásból származó hőenergiát mechanikai munkává tud alakítani. Abelső égésű motorok csak igen szűk határok között változtathatjáküzemanyagukat, a gőzgépeknél viszont közömbös, milyen forrásból származik a gőzképzéshez szükséges hőenergia. Anukleáris energia hasznosítása nem is volna lehetséges gőz felhasználása nélkül. A gőz előállításához néhaégésre sincs szükség.Naperőművekben gőzt lehet előállítani egy központi hőtermelő torony és megfelelően mozgatott tükrök segítségével.
Agőzmozdonyok a magas hegyeken át vezető vasutaknál előnyösebbek aDiesel-hajtásnál, mert a gőzgép működését nem befolyásolja a levegő nyomása. Az utóbbi években magas hegyi vasutaknál több olyan korszerű, a mai technológiai lehetőségeket kihasználó gőzmozdonyt helyeztek üzembe, mely minden tekintetben felveszi a versenyt más megoldásokkal[forrás?].
A gőzgép egyik előnye a többi hőerőgéppel szemben, hogy terhelés alatt is elindítható, ha a dugattyú nem éppen az egyik holtpontban van. Ez utóbbin a gőzmozdonyoknál úgy segítettek, hogy a két oldali hengerhez tartozó hajtórudat 90°-kal elékelve szerelték, így amikor az egyik oldalon holtponti helyzet volt, a másik oldali gőzgép teljes nyomatékkal tudott indulni.
Egy géphatásfokát úgy tudjuk kiszámítani, ha a gép által szolgáltatott mechanikai munkát elosztjuk a gép működtetéséhez szükséges üzemanyag elégetéséből származó hőenergia mennyiségével. A két energia különbsége a hasznos munka számára elvész, és a környezetet melegíti. Egyetlen hőerőgép hatásfoka sem lehet jobb aCarnot-körfolyamat ideális hatásfokánál, ahol a hő egy magasabb hőmérsékletű tartályból egy alacsonyabb hőmérsékletű tartályba áramlik munkavégzés közben. A Carnot-körfolyamat hatásfoka a két tartály hőmérséklet-különbségének és a magasabb hőmérsékletű tartály abszolút hőmérsékletének a hányadosa.
A gyakorlatban a kazán-gőzgép rendszer hatásfoka abban az esetben, ha a kiömlő gőz atmoszferikus nyomáson a szabadba távozik, kb. 5%, azonbangőzkondenzátor alkalmazásával a hatásfok 25%-ig növelhető. A további hatásfok-növelés már nem szorosan a gőzgép fejlesztéséhez tartozik, de megemlítjük, hogy ez az egész rendszer vizsgálatával lehetséges (erőművek).Kombinált ciklus esetén, ahol a tüzelőanyag elégetése először egygázturbinát hajt, és csak utána használják gőzfejlesztésre, a hatásfok 60% is lehet. Hőhasznosítás esetén, amikor is a rendszerből távozó hőenergiát fűtésre használják, az összhatásfok a 90%-ot is elérheti.
