Увеличение количества пара в цилиндре будет пропорционально увеличению занимаемого им объема, поэтому давление в цилиндре будет оставаться постоянным, что характеризуется линией АБ.

Когда поршень займет положение Б, прекратим подачу пара в цилиндр. Поршень при этом будет продолжать двигаться, так как пар, обладая упругостью и расширяясь, будет толкать его вправо. Так как свежий пар в цилиндр не поступает, а объем, занимаемый им, непрерывно увеличивается, то давление в цилиндре будет понижаться, что характеризуется линией БВ.

Положение поршня в точке В характерно тем, что первоначально поданный в цилиндр пар израсходовал свою тепловую энергию на перемещение поршня и последний перестал двигаться.

Для возобновления процесса необходимо поршень вернуть в первоначальное положение А. Если мы приложим внешнюю силу и будем постепенно передвигать поршень влево, то, перемещаясь из положения В в положение А, он будет выталкивать отработавший пар через выпускной канал.

При обратном ходе поршня теоретически в цилиндре устанавливается давление, равное атмосферному, пока поршень не займет положения А. При достижении поршнем положения А в цилиндр вновь подается пар и давление в нем снова достигает величины, соответствующей отрезку ГА,

Таким образом получается замкнутая фигура ГА Б В — так называемая индикаторная диаграмма, состоящая из четырех отрезков: отрезок ГА—впуск пара и поднятие в цилиндре давления; отрезок А Б — подача свежего пара в цилиндр; отрезок БВ — расширение пара и постепенное снижение давления; отрезок ВГ—выпуск из цилиндра отработавшего пара (выпуск).

Приведенная на рис. 37 диаграмма иллюстрирует силу давления пара на площадь поршня и его перемещение под действием этой силы. Следовательно, площадь, заключенная между четырьмя отрезками, характеризует собой работу, совершенную паром в одной полости цилиндра за один оборот вала.

При построении приведенной диаграммы не приняты во внимание неизбежные потери тепловой энергии, в результате которых диаграмма по площади будет меньше и будет иметь иную конфигурацию. Поэтому рассмотренная диаграмма называется идеальной — теоретической.

Рис. 37. Диаграмма идеального теоретического цикла работы паровой машины

На рис. 38 изображена реальная индикаторная диаграмма паровой машины, построенная с учетом потерь тепловой энергии пара; для наглядности она вычерчена на фоне диаграммы идеального процесса.

Поршень в машине вплотную к крышкам цилиндра не доводится и между ним и крышкой образуется так называемое вредное пространство М. В объем вредного пространства входит также и объем каналов.

При поступлении пара в цилиндр часть его расходуется на заполнение вредного пространства. Эта часть не совершает полезной работы по передвижению поршня, и ее тепловая энергия теряется. В результате этой потери линия, характеризующая первоначальный впуск пара, будет смещена относительно линии ГА идеальной диаграммы вправо. На пути от котла в полость цилиндра пар преодолевает сопротивление в трубопроводе, в органах парораспределения и каналах, поэтому давление пара в цилиндре всегда несколько ниже давления в котле и линия аб впуска пара на диаграмме будет проходить несколько ниже линии идеальной диаграммы А Б и наклонно.

В конце впуска давление пара также понижается вследствие большого дросселирования при проходе через уменьшающееся до нуля отверстие. Этот процесс показан на диаграмме отрезком ок.

Температура стенок цилиндра колеблется в зависимости от изменения температуры пара. В период расширения пара температура его понижается, а следовательно, понижается и температура стенок цилиндра. При очередной подаче свежего пара он соприкасается с относительно охлажденными стенками цилиндра, расходует на их обогрев часть своего тепла и частично конденсируется, в результате чего полезная работа сокращается. Это явление называется начальной конденсациейив машинах, работающих на насыщенном паре, вызывает потери, которые могут доходить до 20—50% полезного расхода пара.

В результате начальной конденсации линия бе расширения пара на индикаторной диаграмме идет значительно ниже и более круче линии в идеальном теоретическом процессе.

Рис. 38. Реальная индикаторная диаграмма паровой машины

При построении теоретической идеальной индикаторной диаграммы предполагалось, что с понижением давления до атмосферного пар беспрепятственно расширяется. Практически этого достичь невозможно: во-первых, потребовался бы цилиндр очень большой длины; во-вторых, процесс расширения протекал бы со все снижающейся скоростью и длительное время. Вследствие больших тепловых потерь такой процесс был бы нецелесообразен. Поэтому практически в паровых машинах полного расширения не происходит и выпуск пара начинается, когда в цилиндре давление несколько больше атмосферного. В результате неполного расширения пара часть его энергии, соответствующая части индикаторной диаграммы правее линии РМ, фактически не используется. При обратном ходе поршня в период выталкивания пара из цилиндра преодолевается сопротивление в паровыпускной трубе, поэтому давление пара при выпуске, характеризующееся линией ид, будет выше атмосферного.

Чтобы меньше расходовать свежего пара на4заполнение вредного пространства, отработавший пар прекращают выпускать не в тот момент, когда поршень займет свое крайнее положение, а несколько раньше — примерно в тот момент, когда он будет находиться в точке д. Оставшийся в цилиндре пар сжимается поршнем до давления, характеризуемого точкой г. Следовательно, здесь теряется часть полезной работы на сжатие пара. Сжимаемый во вредном пространстве пар играет роль упругой подушки и этим способствует более равномерной работе машины.

Кроме перечисленных потерь, тепловая энергия теряется вследствие пропуска пара в сальниках, соединениях, в рабочих органах парораспределения и через неплотности в цилиндре — через поршневые кольца.

При построении теоретической индикаторной диаграммы предполагалось также, что фазы состояния пара в цилиндре меняются мгновенно. В силу же наличия сопротивления при проходе пара через каналы с ограниченным сечением как при впуске, так и при выпуске требуется некоторое время на проход и заполнение пространства паром. Поэтому переход от одной фазы к другой происходит не мгновенно, а с замедлением. Это характеризуется отсутствием острых углов на индикаторной диаграмме.

Открытие впускного окна для впуска в цилиндр свежего пара происходит несколько раньше, чем поршень придет в крайнее положение, и соответствует на диаграмме точке г. Этот момент называется пред-варением впуска. Его создают для того, чтобы к моменту прихода поршня в крайнее положение в цилиндре уже было бы рабочее давление.

Предварение выпуска заключается в открытии выпускного окна до прихода поршня в крайнее правое положение и соответствует на диаграмме точке ч. Делается это для того, чтобы к моменту прихода поршня в крайнее правое положение давление пара в цилиндре успело понизиться до давления пара при выпуске. Предварение выпуска делается в пределах от 6 до 15% хода поршня, причем чем большее число оборотов делает машина, тем больше выбирается предварение выпуска.

Итак, на индикаторной диаграмме реального процесса паровой машины точка соответствует началу впуска пара в цилиндр, а линия га называется линией предварения впуска. Отрезок аб есть линия впуска пара, причем точка соответствует моменту отсечки, т. е. моменту прекращения впуска пара в цилиндр. Отношение части хода поршня, на протяжении которого подается пар, ко всему ходу поршня называется степенью наполнения и выражается в процентах или в долях единицы. Линия бв есть линия расширения пара, а точка ч соответствует началу выпуска. Отрезок чв есть линия предварения выпуска пара. Линия чд характеризует выпуск пара из цилиндра, а точка д соответствует концу выпуска. Отрезок дг характеризует процесс сжатия оставшегося пара.

Таким образом, реальная индикаторная диаграмма работы пара в цилиндре паровой машины состоит из шести полных периодов, или фаз: предварение впуска, впуск, расширение, предварение выпуска, выпуск и сжатие. Сглаживание резких переходов между фазами является следствием мятия пара в моменты открытия и закрытия паровпускных окон золотником.

На рис. 39 приведены примеры искажений фигуры индикаторной диаграммы и указаны основные причины этих искажений.

Индикаторные диаграммы снимают специальными аппаратами-индикаторами, автоматически фиксирующими давление пара внутри