Podstatou parního stroje jest přeměna chemické energie uhlí nebo jiného paliva v práci, při čemž zprostředkující látkou jest vodní pára. Pára, získaná spalováním paliva v parním kotli, přivádí se potrubím do parního stroje. Děj zde probíhající znázorňuje diagram, udávající průběh tlaku páry při pohybu pístu. Po část pohybu pístu od jedné krajní (mrtvé) polohy vpouští rozvodové ústrojí páru do válce, nastává plnění. Po uzavření vstupního kanálu rozvodem pára vniklá do válce expanduje (při klesajícím tlaku zvětšuje objem), až před druhou mrtvou polohou otevírá rozvodný kanál, jímž se pára při zpětném pohybu pístu vypouští (výstup). Na to uzavře rozvod kanál pro výstup, pohybující se píst stlačuje páru zbylou ve válci (komprese), přivede se nová pára a děj se opakuje.

Parní diagram

Stejnou změnu prodělává pára i na druhé straně pístu (diagram čerchován), při čemž, je-li na jedné straně pístu plnění a expanse, na druhé jest výfuk a komprese. Pára působí tak přetlakem na píst (svisle šrafován), jímž se píst pohybuje z jedné mrtvé polohy do druhé. Tento pohyb přenáší se klikovým mechanismem na hřídel; odtud jest hnána transmise, elektrický generátor apod. Práci koná tedy pára, působíc přetlakem n píst.

Chceme-li posouditi význam parního stroje pro moderní techniku, musíme si povšimnouti jeho vývoje; jím byl dán podnět k současnému vývoji techniky výrobní a tím vytvořen základ moderního strojnictví.

Newcomenův stroj

Na možnost použíti vodní páry v hnacím stroji poukázal Papin, popsav r. 1690 první pístový stroj, avšak uskutečnění svého návrhu se nedočkal pro výrobní potíže. Jeho myšlenku zhodnotil Thomas Newcomen. Postavil r. 1712 první atmosférický stroj, sloužící k pohonu důlní pumpy.

Wattův parní stroj z roku 1788 pro pohon vodních pump

Zásluha o zdokonalení těchto prostých počátků parního stroje náleží James Wattovi. Watt zjistil pokusy fysikální vlastnosti vodní páry a na jejich znalosti založil své práce. Aby zmenšil spotřebu páry atmosférických strojů, zavedl v druhé polovici XVIII. století kondensaci páry mimo parní válec ve zvláštním kondenzátoru, opatřeném vývěvou k odsávání vody a vzduchu, opatřil parní válec topicím pláštěm a v r. 1769 navrhl expansi páry ve válci. Tím stanovil pracovní způsob páry v parním stroji, jehož se používá nezměněně do dnešní doby.

Wattovi podařilo se snižiti spotřebu páry na šestinu původního Newcomenova stroje. Tato zvýšená ekonomie způsobuje vítězný pochod parního stroje všemi kontinenty a tím dává podnět k epochálnímu rozvoji strojní techniky vůbec.

Další vývoj parního stroje jeví se stále stoupajícím tlakem a teplotou páry.

Současně vyvíjel se parní stroj i konstruktivně. Stroje vahadlové ustupují strojům s klikovým mechanismem, kde jsou hřídel i setrvačník uspořádány nad strojem. Místo oblíbených architektonických tvarů proniká tvar jednoduchý a dospívá se ke konečné úpravě stroje s klikovým mechanismem pod parním válcem. Stálé zvyšování obrátek stroje nutí ke stavbě strojů s menším zdvihem při větším průměru válce, což dovoluje i pokročilejší výroba.

Po celé půlstoletí převládl stojatý stroj nad strojem ležatým. Teprve poznání výhod ležatého uspořádání, velká stabilita, přehlednost a snadná obsluha, způsobilo, že byl zaveden všude tam, kde otázka místa nebyla rozhodující.

Současně s celkovým uspořádáním parního stroje vyvíjel se i rozvod páry. Od ručně, později strojem ovládaných kohoutů přešlo se k rozvodu s jednoduchým šoupátkem, zavedeny rozvody s více šoupátky nejrůznějších typů a konečně rozvod ventilový s celou řadou různých pohonných mechanismů. Rozvod opatřen byl regulátorem, sloužícím k samočinnému regulování výkonu.

Bylo zapotřebí půldruhého století a nepřehledné řady pracovníků, aby stroj dospěl k jisté dokonalosti. Výsledky této práce co do využití páry přehledně podává, v níž jsou i data pro stroje z poslední doby.

Na přechodu XIX. a XX. století nalézá parní stroj všestranné upotřebení v hornictví, na lodích, jako provozní stroj v továrnách apod., s rozvojem elektráren naskýtá se pak další veliká možnost jeho použití. Tím dosahuje též vrcholu svého vývoje.

V té době i naše čsl. strojní výroba jest již na světové výši, jak o tom svědčí stroje, provedeny některými našimi závody: stojatý parní stroj o výkonu 1800 Ks s trojnásobnou expansí, postavený firmou F. Ringhoffer v Praze pro elektrárnu na Smíchově; stroj byl na světové výstavě v Paříži v r. 1900 vyznamenán „Grand prix“. Stojatý parní stroj lodní s trojnásobnou expansí a šoupátkovým rozvodem o výkonu 2400 Ks pro šroubový parník, postavený firmou Akc. spol. v Praze – Smíchově. Ležatý parní stroj lodní s dvojnásobnou expansí a ventilovým rozvodem o výkonu 400 Ks pro kolesový parník říční postavený firmou Akc. spol., dříve Škodovy závody v Plzni a ležatý parní stroj těžný pro jámu „Barbora“ v Karvinné, postaveny firmou Akc. spol., dříve Škodovy závody v Plzni.

Počátkem XX. století vyvstává parnímu stroji vážný konkurent v parní turbině, jejíž nesporné výhody zejména pro větší jednotky vytlačují parní stroj z velkých elektráren a omezují jeho použití na menší jednotky. Rovněž i postupující elektrisace zmenšuje jeho výsadní postavení.

Diagram využití tepla u stroje s kondensací

Přes to není vývoj parního stroje dosud ukončen. V obr. znázorněno jest schematicky využití tepla v parním stroji, odpovídající údajům v tab. 1. pro stroj se vstupní parou o tlaku 30 atm. a teplotě 350o C, pracující s kondensací. Z celkového tepla, přivedeného stroji z kotle, přemění se ve stroji v práci 25 %, zbývajících 75 % odchází nevyužito do kondenzátoru.

Je přirozenou snaha tepelné techniky po dalším zvýšení ekonomie celého zařízení, již podporuje zejména doba poválečná s enormně zvýšenými náklady výrobními. Tak dochází k využití páry, vycházející ze stroje, k výrobním účelům ve varnách, k topení, k sušení apod. Těmto snahám přizpůsobuje se i konstrukce parního stroje.

Odpovídá-li množství páry k topení spotřebě parního stroje při požadovaném výkonu nebo je-li větší, užije se parního stroje s protitlakem. Pára, přiváděná z kotle, koná v parním stroji práci, expanduje na tlak, potřebný ve výrobě. Odtud odvádí se do topení, k výrobním aparátům apod. Při přechodně větší spotřebě topicí páry přidává se do sítě pro topení pára přímo z kotle. Je-li naopak přechodný přebytek páry vycházející ze stroje, přímo z kotle. Je-li naopak přechodný přebytek páry vycházející ze stroje, užije se přebytku k ohřívání napájecí vody nebo shromažďuje se v akumulátoru, odkudž se jí použije při pozdějším nedostatku topicí páry. Tímto způsobem využije se téměř úplně tepla z kotle přivedeného.

V závodech, kde spotřeba síly jest tak veliká, že nelze úplně využíti páry ve stroji spotřebované k topení, použije se dvouválcového parního stroje s odběrem páry. Pára z kotle expanduje ve vysokotlakém válci na tlak potřebný pro topení, při čemž koná práci. Za vysokotlakým válcem odvádí se část páry do topení, zbylá pára jde do nízkotlakého válce, kde koná práci a odchází pak do kondenzátoru.

Diagram využití tepla u parního stroje odběrového, ztráty nejsou uvažovány

Využití tepla u odběrového stroje naznačeno jest schemicky v obr. pro stroj o výkonu 650 Ks, odběrovém množství 3000 kg/hod., při vstupní páře o tlaku 36 atm., teplotě 375o C, odběrovém tlaku 10 atm. a kondensaci. Z tepla, přivedeného v kotli, odvádí se 12,3 % ve formě výkonu, 62,5 % využije se pro topení a zbytek 25,2 % odchází nevyužit do kondenzátoru.

V obr. (v úvodu článku) jest pohled na parní stroj odběrový, postavený Akc. spol. dříve Škodovy závody v Plzni. Výkon stroje jest 500 Ks, tlak vstupní páry 18 At, teplota 350o C, odběr při tlaku 4 At.

Trvalá snaha po zvyšování ekonomie vede k dalšímu postupnému zvyšování tlaku a teploty páry, až se dospívá k zařízení (hlavně v elektrárnách), o provozním tlaku 60 až 120 At. Tím, zdá se, dosaženo bylo meze možnosti ve zlepšení ekonomie zvyšováním tlaku.

Parní stroje o tak vysokém provozním tlaku jsou dnes ještě vzácností. Příkladem jest vysokotlaký parní stroj pro 120 At., 480o C přehřátí, pracující s protitlakem 12 At., o výkonu 400 kW při 300 obr./min., určený pro Wiener-Lokomotiv-Fabrik A. G., Wien-Floridsdorf. Stroj jest jednoválcový, stojatý, s ventilovým rozvodem.

Data, zapsaná v tab. pro parní stroje s provozním tlakem 60 a 120 At. a kondensací, ukazují, že u těchto strojů stoupá tepelná účinnost na 30 resp. 32,5 %.

Všeobecně uznávána jest přednost parního stroje oproti parní turbině v oblasti vysokých tlaků a pro jednotky malé a střední velikosti. V oblasti nízkých tlaků vychází při středních výkonech válec parního stroje příliš veliký. A tak dochází ke kombinaci obou strojů, kde vysokotlaká část jest provedena jako parní stroj, nízkotlaká jako parní turbina.

Možnost snížiti cenu stroje a zmenšiti stavební místo vede k stálému zvyšování obrátek. Vysoké obrátky vynutily si zvláštní konstrukci; vzniká rychloběžný typ parního stroje. Jako příklad uveden ležatý rychloběžný parní stroj fy Akc. spol. dříve Škodovy závody v Plzni. Stroje ty stavěny jsou až do tlaku 40 At. a pro výkony až 1000 Ks, o 350 obrátkách za minutu a jako protitlakové i s kondensací.

Snahou tepelné techniky jest soustřediti výrobu energie v elektrárnách a tam použíti hospodárného provozu s vysokotlakou parou. Hospodárný provoz vyžaduje pak spojiti s výrobou energie využití odpadního tepla. Tak v místech, kde je dostatečný konsum pro odpadní páru, se zakládají teplárny, vybavené stroji protitlakovými nebo odběrovými. Při zařizování velkých elektráren a tepláren obrací se pozornost v prvé řadě k parní turbině.

Přednost parního stroje, vykazujícího při menších jednotkách a vysokých tlacích lepší účinnost než parní turbina, jakož i dosavadní zkušenosti s vysokotlakými parními stroji opravňují však domněnku, že vysokotlaký parní stroj i nadále se uplatní v malých a středních centrálách.

Ing. Jan Kroupa, Dvacáté století – pokroky průmyslu. Nakladatelství Vladimír Orel 1932