О истории развития парового двигателя, достаточно подробно описано в этой статье . Тут же - наиболее известные решения и изобретения времен 1672-1891 года.
Первые наработки.
Начнем с того, что еще в семнадцатом веке пар стали рассматривать как средство для привода, проводили с ним всяческие опыты, и лишь только в 1643 году Эванджелистом Торричелли было открыто силовое действие давления пара. Кристиан Гюйгенс через 47 лет спроектировал первую силовую машину, приводившуюся в действие взрывом пороха в цилиндре. Это был первый прототип двигателя внутреннего сгорания. На аналогичном принципе устроена водозаборная машина аббата Отфея. Вскоре Дени Папен решил заменить силу взрыва на менее мощную силу пара. В 1690 году им была построена первая паровая машина , известная также как паровой котел.
Она состояла из поршня, который с помощью кипящей воды перемещался в цилиндре вверх и за счет последующего охлаждения снова опускался – так создавалось усилие. Весь процесс происходил таким образом: под цилиндром, который выполнял одновременно и функцию кипятильного котла, размещали печь; при нахождении поршня в верхнем положении печь отодвигалась для облегчения охлаждения.
Позже два англичанина, Томас Ньюкомен и Коули – один кузнец, другой стекольщик, – усовершенствовали систему путем разделения кипятильного котла и цилиндра и добавления бака с холодной водой. Эта система функционировала с помощью клапанов или кранов – одного для пара и одного для воды, которые поочередно открывались и закрывались. Затем англичанин Бэйтон перестроил клапанное управление в подлинно тактовое.
Применение паровых машин на практике.
Машина Ньюкомена вскоре стала известна повсюду и, в частности, была усовершенствована, разработанной Джеймсом Уаттом в 1765 году системой двойного действия. Теперь паровая машина оказалась достаточно завершенной для использования в транспортных средствах, хотя из-за своих размеров лучше подходила для стационарных установок. Уатт предложил свои изобретения и в промышленности; он построил также машины для текстильных фабрик.
Первая паровая машина, используемая в качестве средства передвижения, был изобретена французом Николя Жозефом Куньо, инженером и военным стратегпм-любителем. В 1763 или 1765 году он создал автомобиль, который мог перевозить четырех пассажиров при средней скорости 3,5 и максимальной – 9,5 км/час. За первой попыткой последовала вторая – появился автомобиль для транспортировки орудий. Испытывался он, естественно, военными, но из-за невозможности продолжительной эксплуатации (непрерывный цикл работы новой машины не превышал 15 минут) изобретатель не получил поддержки властей и финансистов. Между тем в Англии совершенствовалась паровая машина. После нескольких безуспешных, базировавшихся на машине Уаттa попыток Мура, Вильяма Мердока и Вильяма Саймингтона, появилось рельсовое транспортное средство Ричарда Тревисика, созданное по заказу Уэльской угольной шахты. В мир пришел активный изобретатель: из подземных шахт он поднялся на землю и в 1802 году представил человечеству мощный легковой автомобиль, достигавший скорости 15 км/час на ровной местности и 6 км/час на подъеме.
Превью - увеличение по клику.
Приводимые в движение паром транспортные средства все чаще использовались и в США: Натан Рид в 1790 году удивил жителей Филадельфии своей моделью парового автомобиля . Однако еще больше прославился его соотечественник Оливер Эванс, который спустя четырнадцать лет изобрел автомобиль-амфибию. После наполеоновских войн, во время которых «автомобильные эксперименты» не проводились, вновь началась работа над изобретением и усовершенствованием паровой машины . В 1821 году ее можно было считать совершенной и достаточно надежной. С тех пор каждый шаг вперед в сфере приводимых в движение паром транспортных средств определенно способствовал развитию будущих автомобилей.
В 1825 году сэр Голдсуорт Гарни на участке длиной 171 км от Лондона до Бата организовал первую пассажирскую линию. При этом он использовал запатентованную им карету, имевшую паровой двигатель. Это стало началом эпохи скоростных дорожных экипажей, которые, однако, исчезли в Англии, но получили широкое распространение в Италии и во Франции. Подобные транспортные средства достигли наивысшего развития с появлением в 1873 году «Реверанса» Амедэ Балле весом 4500 кг и «Манселя» – более компактного, весившего чуть более 2500 кг и достигавшего скорости 35 км/час. Оба были предвестниками той техники исполнения, которая стала характерной для первых «настоящих» автомобилей. Несмотря на большую скорость кпд паровой машины был очень маленький. Болле был тем, кто запатентовал первую хорошо действующую систему рулевого управления, он так удачно расположил управляющие и контрольные элементы, что мы и сегодня это видим на приборном щитке.
Превью - увеличение по клику.
Несмотря на грандиозный прогресс в области создания двигателя внутреннего сгорания, сила пара все еще обеспечивала более равномерный и плавный ход машины и, следовательно, имела много сторонников. Как и Болле, который построил и другие легкие автомобили, например Rapide в 1881 году со скоростью движения 60 км/час, Nouvelle в 1873 году, которая имела переднюю ось с независимой подвеской колес, Леон Шевроле в период между 1887 и 1907 годами запустил несколько автомобилей с легким и компактным парогенератором, запатентованным им в 1889 году. Компания De Dion-Bouton, основанная в Париже в 1883 году, первые десять лет своего существования производила автомобили с паровым двигателями и добилась при этом значительного успеха – ее автомобили выиграли гонки Париж-Руан в 1894 году.
Превью - увеличение по клику.
Успехи компании Panhard et Levassor в использовании бензина привели, однако, к тому, что и De Dion перешел на двигатели внутреннего сгорания. Когда братья Болле стали управлять компанией своего отца, они сделали то же самое. Затем и компания Chevrolet перестроила свое производство. Автомобили с паровыми двигателями все быстрее и быстрее исчезали с горизонта, хотя в США они использовались еще до 1930 года. На этом самом моменте и прекратилось производство и изобретение паровых машин
История паровых двигателей своими истоками уходит в 1 век н.э., когда Герон Александрийский впервые описал эолипил. Более, чем 1500 лет спустя, в 1551 году османский ученый Такиюддин аш-шами описал примитивные турбины, приводимые в движение паром, а в 1629 году подобное открытие сделал Джованни Бранка. Эти устройства представляли собой паровые вертела для жарки или небольшие передаточные механизмы. В основном, такие конструкции использовали изобретатели для демонстрации мощи пара, и доказательства того, что ее не стоит недооценивать.
В 1700-х годах рудокопы столкнулись с серьезным испытанием — необходимостью выкачки воды из глубоких шахт. На помощь пришла та самая мощь пара. С помощью энергии пара удалось выкачать воду из шахт. Это применение раскрыло потенциальную силу пара и привело к изобретению парового двигателя. Паровые электростанции появились позже. Главный принцип, на котором работают паровые двигатели, заключается в “конденсации водяного пара для создания частичного вакуума”.
Томас Севери и первые промышленные двигатели
Томас Севери первым изобрел паровой насос в 1698 году, он предназначался для выкачки воды. Это изобретение часто называют «огненным двигателем» или двигателем для “подъема воды огнем”. Паровой насос, запатентованный Севери, работал путем кипячения воды до ее полного преобразования в пар. Затем каждая капелька пара подымалась в бак, а в емкости, где изначально была вода, образовывался вакуум. Этот вакуум использовался для выкачки воды с глубинных шахт. Но решение оказалось временным, так как энергии пара хватало только для выкачки воды с глубины в несколько метров. Еще одним недостатком этой конструкции было использование давления пара для выведения воды, всасываемой в бак. Давление было слишком высоким для котлов, что вызвало ряд сильных взрывов.
Машины низкого давления
Высокое потребление угля, свойственное паровым машинам Ньюкомена, сократилось благодаря инновациям Джеймса Ватта. Цилиндр машины низкого давления был оснащен термозащитой, отдельным конденсатором и водоотливным механизмом для конденсированной воды. Таким образом, потребление угля в машинах низкого давления было снижено более, чем на 50%.
Иван Ползунов и первая двухцилиндровая паровая машина
Первым в России паровую машину изобрел Иван Ползунов. Его двухцилиндровая паровая машина была более мощной, чем английские двигатели без наддува. Они достигали мощности 24 кВт. Модель двухцилиндровой паровой машины Ползунова выставлена в музее Барнаула.
Паровая машина Томаса Ньюкомена
В 1712 году Томас Ньюкомен изобрел очень удачную с практической точки зрения паровую машину. Его модель состояла из пистона или цилиндра, который приводил в движение огромную деревянную колоду для запуска водяного насоса. Обратный ход в машине действовал за счет гравитации, которая толкала вниз конец колоды со стороны насоса. Машина Ньюкомена активно использовалась на протяжении 50 лет. Затем ее признали неэффективной, поскольку для активного функционирования требовалось очень много энергии. Нужно было подогревать цилиндр, так как он постоянно остывал, в результате чего сжигалось очень много топлива.
Усовершенствования Джеймса Ватта
Джеймс Ватт совершил настоящую революцию в истории развития паровых машин, внедрив в исходную конструкцию отдельный конденсатор. Он ввел это новшество в 1765 году. Но только спустя 11 лет удалось достичь конструкции, которую можно было бы применять в промышленных масштабах. Самая большая проблема в реализации задумки Ватта состояла в технологии создания огромного пистона для сохранения нужного количества вакуума. Но вскоре технология достигла большого прогресса, и как только патент получил достаточное финансирование, паровая машина Ватта начала активно использоваться на железных дорогах и кораблях. В США более 60 000 автомобилей работали на паровых двигателях с 1897 по 1927 годы.
Машины высокого давления
В 1800 году Ричард Тревитик изобрел паровые машины высокого давления. По сравнению со всеми ранее изобретенными конструкциями паровых машин этот вариант был наиболее мощным. Но по-настоящему успешной стала конструкция, предложенная Оливером Эвансом. В ее основе лежала идея приведения двигателя в движения паром, а не конденсирование пара для создания вакуума. Эванс изобрел первую паровую машину без конденсации, работающую под высоким давлением, в 1805 году. Машина была стационарной и развивала 30 оборотов в минуту. Эта машина первоначально использовалась для приведения в движение пилы. Такие машины поддерживались огромными резервуарами с водой, которая грелась источником тепла, помещенного непосредственно под резервуаром, что позволяло эффективно вырабатывать нужное количество пара.
Вскоре эти паровые машины получили широкое применение в моторных лодках и на железных дорогах, в 1802 и 1829 годах соответственно. Почти полвека спустя появились первые паровые автомобили. Чарлз Алджернон Парсонс в 1880 году изобрел первую паровую турбину. К началу 20 века, паровые двигатели широко использовались в автомобиле- и кораблестроении.
Корнуэльские паровые двигатели
Ричард Треветик попытался усовершенствовать паровой насос, изобретенный Ваттом. Он был видоизменен для использования в корнуэльских котлах, изобретенных Треветиком. Эффективность корнуэльской паровой машины была значительно улучшена Уильямом Симсом, Артуром Вульфом и Сэмюэлем Грузом. Обновленные корнуэльские паровые машины состояли из изолированных труб, двигателя и котлов для повышенной эффективности.
15 ряд ли кто-то сомневается, что одной из главных движущих сил прогресса являются человеческая лень и стремление к комфорту. Это подтверждается бесчисленными сказками, где транспорт передвигается «по щучьему велению», а у счастливчиков имеются волшебные помощники, избавляющие хозяина от необходимости сделать хоть какое-то физическое усилие. Но поскольку в реальности «само» ничего не делается, на протяжении всей истории человечества лучшие умы корпели над изобретениями, которые помогли бы воплотить эти мечты в жизнь.
Если говорить на языке физики и техники, нужно было изобрести устройство, которое смогло бы преобразовать тот или иной вид энергии в полезную механическую работу. С древнейших времен главным и основным источником энергии была мускульная сила человека и животных, а все имеющиеся технические приспособления в лучшем случае помогали использовать ее более рационально и продуктивно. Позднее люди научились применять силу ветра и воды, текущей или падающей с высоты, заставив их работать в ветряных и водяных двигателях . Однако мощность таких двигателей была невелика, и надо было осваивать более перспективные виды энергии тепловую, химическую и электрическую.
Первое известное тепловое устройство, работавшее за счет силы пара, было построено греческим ученым Архимедом в III в. до н. э. Это была пушка, один конец которой нагревали, а затем заливали туда воду. Мгновенно нагреваясь, вода превращалась в пар, который, расширяясь, выталкивал из жерла ядро. Спустя два столетия другой греческий ученый Герон Александрийский создал и описал еще одну тепловую машину полый железный шар, способный вращаться вокруг горизонтальной оси. Из закрытого котла с кипящей водой пар по трубке поступал в шар, откуда выходил наружу через изогнутые сопла, при этом шар приходил во вращение.
Пароход «Мэйфлауэр» на реке Миссисипи. 1855 г.
Полтора тысячелетия «геронов шар» был всего лишь забавной игрушкой, и только в XVI в. ученые задумались о возможности практического применения тепловой энергии. Знаменитый изобретатель Леонардо да Винчи был первым, кто предположил, что пар может выполнять полезную работу. Об этом свидетельствуют рисунки в его рукописях, изображающие цилиндр и поршень. Да Винчи утверждал, что если под поршень в цилиндр поместить воду, а сам цилиндр нагреть, то образующийся водяной пар будет расширяться, что заставит его искать выход и перемещать поршень вверх. Параллельно арабский инженер Таги аль Дин разработал проект устройства, в котором пар, направляемый на закрепленные по ободу колеса лопасти, вращал вертел. В XVII в. похожую машину построил итальянский изобретатель Джованни Бранка. Приводимое в движение паром анкерное устройство поочередно поднимало и опускало пару пестов в ступах, в результате чего можно было дробить зерно. Однако в этих прообразах паровых турбин поток пара был слишком рассеянным, в результате чего происходила значительная потеря энергии.
До конца XVII в. создаваемые паровые машины были скорее единичными техническими диковинками, поскольку экономических предпосылок для их массового использования еще не было. В 1б70-х годах французский изобретатель Дени Папен и голландский физик Христиан Гюйгенс работали над машиной, в которой поршень поднимался за счет расширения газов при взрыве пороха. В 1680 г. Папен создал вариант двигателя, в котором вместо пороха использовалась вода. Ее наливали в цилиндр под поршень, а сам цилиндр разогревали снизу, при этом образующийся пар поднимал поршень. Затем цилиндр охлаждали, и находящийся в нем пар конденсировался, снова превращаясь в воду.
Паровой двигатель Д. Папена.
Поршень, как и в случае порохового двигателя, под действием своего веса и атмосферного давления опускался. Папен также считается изобретателем парового котла, поскольку именно он понял, что для автоматизации цикла пар должен подаваться в цилиндр извне (поэтому паровой двигатель считается двигателем внешнего сгорания: топливо, разогревающее воду сжигается вне рабочего цилиндра).
Первым паровым двигателем, который был не без успеха использован на производстве, стала сконструированная в 1698 г. английским военным инженером Томасом Севери «пожарная установка». Это устройство, самим изобретателем названное «друг рудокопа», представляло собой паровой насос, который использовался для вращения колес водяной мельницы и для откачки воды из шахт. Машина была не слишком эффективной из-за больших потерь тепла во время охлаждения контейнера и достаточно опасной в эксплуатации, поскольку из-за высокого давления пара трубопроводы и емкости двигателя нередко взрывались.
В 1712 г. английский кузнец Томас Ньюкомен продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором рабочее давление пара удалось значительно снизить, следовательно, двигатель стал более безопасным. Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень.
Сколько лошадей?
Понятие лошадиной силы как единицы мощности паровой машины ввел Дж. Уатт. Но первым термин стал применять Т. Севери еще в 1698 г. При этом подход у них был разный. Севери оценивал мощность своего насоса, исходя из того, что для его работы в сутки потребуется 10 меняющихся по мере усталости лошадей. Уатт же учитывал только работающих на данный момент пару запряженных лошадей. В итоге получалось, что мощность почти одинаковых паровых машин Севери оценивал в 10 «лошадок», а Уатт только в две.
Откачка воды из угольной шахты при помощи паровой машины Т. Ньюкомена. Иллюстрация из The Universal Magazine. 1747 г.
К. Ф. фон Бреда. Потрет Джеймса Уатта. 1792 г.
При впрыскивании в цилиндр холодной воды пар конденсировался, образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом, поднимал шток насоса. Именно машина Ньюкомена явилась первым паровым двигателем, с которым принято связывать начало промышленной революции в Англии. Она оказалась настолько удачной, что использовалась в Европе более 50 лет. Тем не менее в конструкцию вносились некоторые важные изменения. В частности, в 1718 г. англичанин Генри Бейтон изобрел распределительный механизм, который автоматически включал или отключал пар и впускал воду. Он же дополнил паровой котел предохранительным клапаном.
Проект первой в мире паровой машины, способной непосредственно приводить в действие любые рабочие механизмы, предложил в 1763 г. русский изобретатель Иван Иванович Ползунов, механик на Колывано-Воскресенских горнорудных заводах Алтая. Его машина представляла собой двухцилиндровый вакуумный агрегат с поршнями, соединенными цепью, перекинутой через шкив. Все действия в нем совершались автоматически. Вместо опытного образца заводское начальство потребовало сразу построить большую машину для мощной воздуходувки. Двигатель строили почти два года, и до запуска изобретатель не дожил. Машина успешно прошла испытания и была запущена в эксплуатацию. Уже через три месяца она не только оправдала затраты, но и дала прибыль. Однако через некоторое время котел дал течь, и по непонятным соображениям чинить машину не стали.
Примерно в это же время в Англии над созданием паровой машины работал шотландец Джеймс Уатт. Он занимался усовершенствованием двигателя Ньюкомена. Было ясно, что основной недостаток машины Ньюкомена состоял в попеременном нагревании и охлаждении цилиндра. Уатт предположил, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если до конденсации отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. Более того, цилиндр может оставаться горячим, а конденсатор холодным, если снаружи их покрыть теплоизоляционным материалом. В 1768 г. он получил на свое изобретение патент, но построить машину смог только в 1776 г. Она оказалась вдвое эффективнее машины Ньюкомена.
Паровая машина Ползунова.
И. И. Ползунов.
В 1782 г. появилась созданная Уаттом первая универсальная паровая машина двойного действия. Ее крышка была оснащена сальником, который обеспечивал поршню свободное движение штока и в то же время предотвращал утечку пара из цилиндра. Пар поступал в цилиндр с двух сторон поршня попеременно, таким образом, поршень совершал с помощью пара и рабочий, и обратный ход, чего не было в прежних машинах. Уатт получил на свою «ротативную паровую машину» патент, и она начала широко применяться для приведения в действие станков и машин сначала на прядильных и ткацких фабриках, а затем и на других промышленных предприятиях.
Паровоз «Пыхтящий Билли».
Макет паровой машины Дж. Уатта.
Помимо промышленности паровые машины прочно заняли место в сельском хозяйстве и на транспорте. Еще в 1850 г. английский изобретатель Уильям Говард использовал для пахоты локомобиль компактный передвижной паровой двигатель. В 1879 г. крестьянин Федор Блинов из Саратовской губернии построил и запатентовал первый в мире гусеничный трактор, приводимый в действие паровой машиной мощностью 20 л. с.
Первый образец автомобиля с паровым двигателем в 1769 г. испытал французский изобретатель Николя Жозе Кюньо, его творение получило известность как «малая паровая телега Кюньо». Год спустя публике представили уже «большую паровую телегу Кюньо». В 1788 г. в США было организовано пароходное сообщение по реке Делавер между городами Филадельфия и Берлингтон. Сконструированный Джоном Фитчем пароход мог принять на борт 30 пассажиров и везти их со скоростью 7-8 миль в час. А в 1804 г. Ричард Тревитик продемонстрировал первый самоходный железнодорожный локомотив на паровой тяге, построенный на металлургическом заводе Пенидаррен в Мер-тир-Тидвиле (Южный Уэльс).
Несмотря на все усилия инженеров, довольно низкий КПД паровых двигателей повысить так и не удалось, и уже к концу XIX в. с полной отдачей послужившие техническому прогрессу машины начали постепенно сдавать свои позиции. На автомобильном транспорте они уступили место двигателям внутреннего сгорания, на железной дороге и в промышленности электродвигателям. Однако в теплоэнергетике и на отдельных видах транспорта паровые машины (в особенности паровые турбины) по-прежнему используются достаточно широко.
Паровая турбина сталелитейного завода.
Промышленность
Англии нуждалась в большом количестве топлива, а леса становилось всё меньше. В связи с этим добыча каменного угля стала черезвычайно актуальна.
Основной проблемой добычи была вода, она затопляла шахты быстрее чем её успевали откачивать, приходилось бросать разработаные рудники и искать новые.
В силу этих причин, срочно требовались механизмы для откачки воды, вот ими то и стали первые паровые машины.
Следующим этапом развития паровых машин, было создание (в 1690 году
) поршневого парового двигателя, который совершал полезную работу за счёт нагревания и конденсации пара.
Родился во французском городе Блуа в 1647 году. В Университете Анже он изучал медицину и получил степень доктора, но врачом не стал. Во многом его судьбу предопределила встреча с голландским физиком Х. Гюйгенсом, под влиянием которого Папен начал изучать физику и механику. В 1688 году он опубликовал описание (со своими конструктивными дополнениями) представленного Гюйгенсом в Парижскую академию наук проекта порохового двигателя в форме цилиндра с поршнем.
Папен также предложил конструкцию центробежного насоса, сконструировал печь для плавки стекла, паровую повозку и подводную лодку, изобрёл скороварку и несколько машин для подъёма воды.
Первая в мире скороварка:
В 1685 Папен был вынужден бежать из Франций (из-за гонений на гугенотов) в Германию и продолжал там работать над своей машиной.
В 1704 году, на заводе «Veckerhagen», он отлил первый в мире цилиндр для паровой машины и в том же году построил катер на паровой тяге.
Первая «машина» Дени Папена (1690 год)
Вода в цилиндре при нагревании превращалась в пар и двигала поршень вверх, а при охлаждении (пар конденсировался) создавалось разрежение и атмосферное давление двигало поршень вниз.
Чтобы заставить машину работать, необходимо было манипулировать стержнем-клапаном и стопором, перемещать источник пламени и охлаждать цилиндр водой.
В 1705 году Папен разработал второй паровой двигатель
При открытии крана (D), пар из котла (справа) устремлялся в среднюю ёмкость и по средствам поршня продавливал воду в ёмкость слева. После чего кран (D) закрывался, открывался краны (G) и (L) в воронку доливали воду и средняя ёмкость заполнялась новой порцией, краны (G) и (L) закрывали и повторяли цикл. Тем самым удавалась поднять воду на высоту.
В 1707 году, Папен приехал в Лондон с целью получить патент на свои работы 1690-го года. Работы не были признаны, так как к тому времени уже появились машины Томаса Севери и Томаса Ньюкомена (см. ниже).
В 1712 году Дени Папен умер обездоленным и похоронен в безымянной могиле.
Первые паровые машины представляли из себя громоздкие стационарные насосы для перекачки воды. Это объяснялось тем, что нужно было откачивать воду из рудников и угольных шахт. Чем глубже были шахты, тем труднее было откачивать из них пребывающую воду, в итоге не выработаные шахты приходилось бросать и переходить на новое место.
В 1699 году
, английский инженер , получил патент на изобретение «огневого двигателя», предназначенного для откачивания воды из рудников.
Машина Севери - это паровой насос, а не двигатель, в нем не было цилиндра с поршнем.
Главной изюминкой в машине Севери было то, что пар образовывался в отдельном котле .
Справка
Машина Томаса Севери
При открытии крана 5 пар из котла 2 подавался в сосуд 1, выгоняя оттуда воду по трубке 6. Клапан 10 при этом открыт, а клапан 11 закрыт. В конце нагнетания кран 5 закрывался, и через кран 9 в сосуд 1 подавалась холодная вода. Пар в сосуде 1 охлаждался, конденсировался, и давление падало, засасывая туда воду по трубке 12. Клапан 11 при этом открывался, а клапан 10 закрывался.
Насос Севери был маломощным, потреблял много топлива и работал прерывисто. В силу этих причин, машина Севери не получила широкого распространения и ей на смену пришли «поршневые паровые машины».
В 1705 году
совместив идеи Севери (отдельно стоящий котёл) и Папена (цилиндр с поршнем) построил поршневой паровой насос
для работы на рудниках.
Опыты по совершенствованию машины продолжались около десяти лет, пока она не начала исправно работать.
О Томасе Ньюкомене
Родился 28 февраля 1663 в Дартмуте. Кузнец по профессии. В 1705 году совместно с лудильщиком Дж. Коули построил паровой насос. Эта довольно эффективная для своего времени паро-атмосферная машина использовалась для откачки воды в шахтах и получила широкое распространение в XVIII веке. Такую технологию, в наше время используют бетононасосы на стройках.
Ньюкомен не смог получить патент, так как паровой водоподъёмник был запатентован ещё в 1699 году Т. Севери. Паровая машина Ньюкомена не была универсальным двигателем и могла работать только как насос. Попытки Ньюкомена использовать возвратно-поступательное движение поршня для вращения гребного колеса на судах оказались неудачными.
Скончался 7 августа 1729 года в Лондоне. Имя Ньюкомена носит «Общество историков техники Великобритании».
Машина Томаса Ньюкомэна
Вначале пар поднимал поршень, затем в цилиндр впрыскивалось немного холодной воды, пар кондесировался (образовывая тем самым разряжение в цилиндре) и поршень под влиянием атмосферного давления опускался.
В отличии от «цилиндра Папена» (у которого цилиндр служил котлом), в машине Ньюкомена цилиндр был отделён от котла. Таким образом удалось добиться более или менее равномерной работы.
В первых версиях машины, управление клапанами было ручным, но в последствии Ньюкомэн придумал механизм, автоматически открывающий и закрывающий в нужный момент соответствующие краны.
Фото
О цилиндрах
Первые цилиндры ньюкоменовской машины делались из меди, трубы - из свинца, а коромысло было деревянным. Мелкие части делались из ковкого железа. Более поздние машины Ньюкомена, примерно после 1718 года, имели уже чугунный цилинр.
Изготовляли цилиндры на литейном заводе Абрахама Дерби в Колбрукдэле. Дэрби усовершенствовал технику литья и это позволило получать цилиндры достаточно хорошего качества. Для получения более или менее правильной и гладкой поверхности стенок цилиндра, использовался станок для высверливания дула орудий.
Как-то так:
С некоторыми доработками, машины Ньюкомена на протяжении 50 лет оставались единственными механизмами, пригодными для промышленного использования.
В 1720 году описал двухцилиндровую паровую машину. Изобретение было опубликовано в его главной работе "Theatri Machinarum Hydraulicarum ". Эта рукопись была первым систематическим анализом машиностроения.
Машина предложенная Якобом Леопольдом
Предполагалось что поршни сделаные из свинца, будут подниматься давлением пара, а опускаться под собственным весом. Любопытна идея крана (между цилиндрами), с его помощью пар впускался в один цилиндр и одновременно выпускался из другого.
Якоб не строил эту машину, он только её придумал.
В 1766 году
русский изобретатель , работая механиком на алтайских горнорудных и металургических заводах, создал первую в России и первую в мире двухцилиндровую паровую машину.
Ползунов модернизировал машину Ньюкомена (для обеспечения непрерывной работы он задействовал два цилиндра, вместо одного) и предложил использовать её для привидения в движение мехов плавильных печей.
Грустная справка
В России того времени, паровые машины практически не использовались и всю информацию Ползунов получил из книги “Обстоятельное наставление рудному делу” (1760) за авторством Шлаттера И.А., в которой описывалась паровая машина Ньюкомена.
О проекте было доложено императрице Екатерине Второй. Она одобрила его, распорядилась произвести И.И.Ползунова в «механикусы с чином и званием инженерного капитан-поручика» и наградить 400 рублями…
Ползунов предлагал построить вначале небольшую машину, на которой можно было бы выявить и устранить все недостатки, неизбежные в новом изобретении. Заводское начальство с этим не согласилось и решило строить сразу огромную машину. В апреле 1764 г. Ползунов приступил к строительству.
Весной 1766 года, строительство в основном было закончено и проведены испытания.
Но 27 мая Ползунов умер от чахотки.
Его ученики Левзин и Черницын одни приступили к последним испытаниям паровой машины. В «Дневной записке» от 4 июля было отмечено «исправное машинное действие», а 7 августа 1766 г. вся установка, паровая машина и мощная воздуходувка, была сдана в эксплуатацию. Всего за три месяца работы машина Ползунова не только оправдала все затраты на её постройку в сумме 7233 рублей 55 копеек, но и дала чистую прибыль в 12640 рублей 28 копеек. Однако, 10 ноября 1766 г. после того, как у машины перегорел котел, она простояла без действия 15 лет 5 месяцев и 10 дней. В 1782 г. машина была разобрана.
(Энциклопедия Алтайского края. Барнаул. 1996. Т. 2. С. 281-282; Барнаул. Летопись города. Барнаул. 1994. ч. 1.с.30).
Машина Ползунова
Принцип работы аналогичен машине Ньюкомена.
В один из цилиндров наполненных паром, впрыскивали воду, пар конденсировался и в цилиндре создавалось разряжение, под действием атмосферного давления поршень опускался вниз, в тот же момент в другой цилиндр поступал пар и он поднимался.
Подача воды и пара в цилиндры была полностью автоматизирована.
Макет паровой машины И.И. Ползунова, сделанный по оригинальным чертежам в 1820-е годы.
Краеведческий музей Барнаула.
В 1765 году Джеимсу Уатту
работающему механиком в университете Глазго, было поручено отремонтировать модель машины Ньюкомена. Неизвестно, кто её сделал, но в университете она находилась уже несколько лет.
Проффесор Джон Андерсон предложил Уатту посмотреть, нельзя ли что-нибудь сделать с этим любопытным, но капризным прибором.
Уатт не только отремонтировал, но и усовершенствовал машину. Он добавил к ней отдельную ёмкость для охлаждения пара и назвал её конденсатор.
Модель паровой машины Ньюкомена
Макет был оснащен цилиндром (диаметр 5 см) с рабочим ходом 15 см. Уатт провел ряд экспериментов, в частности заменил металлический цилиндр на деревянный, смазанный льняным маслом и высушенный в печи, уменьшил количество поднимаемой за один цикл воды и макет заработал.
В процессе экспериментов Уатт убедился в неэффективности машины.
При каждом новом цикле часть энергии пара уходила на нагрев цилиндра, который охлаждался после впрыскивания воды для охлаждения пара.
Проведя ряд опытов Уатт пришёл к выводу:
«…Для того чтобы сделать совершенную паровую машину, необходимо, чтобы цилиндр был всегда горяч, как и входящий в него пар; но с другой стороны, конденсация пара для образования вакуума должна была происходить при температуре не выше 30 градусов Реомюра» (38 по Цельсию)…
Модель машины Ньюкомена, с которой экспериментировал Уатт
Как всё начиналось...
Впервые Уатт заинтересовался паром в 1759 году, этому поспособствовал его приятель Робисон, который носился тогда с мыслью «о применении силы паровой машины для приведения в движение повозок».
В том же году Робисон уехал воевать в Северную Америку, а Уатт и без этого был завален делами.
Спустя два года Уатт вернулся к идее паровых машин.
«Около 1761–1762 гг., - пишет Уатт, - я проделал несколько опытов над силой пара в Папеновом котле и сделал нечто вроде паровой машины, укрепив на нем спринцовку, диаметром около 1/8 дюйма, с прочным поршнем, снабженную краном для впуска пара из котла, а также для выпуска его из спринцовки на воздух». Когда открывался кран из котла в цилиндр, то пар, поступая в цилиндр и действуя на поршень, поднимал значительный груз (15 фунтов), которым был нагружен поршень. Когда груз был поднят до нужной высоты, то сообщение с котлом закрывалось и открывался кран для выпуска пара в атмосферу. Пар выходил, и груз опускался. Эта операция повторялась несколько раз, и хотя в данном приборе кран поворачивался от руки, однако, не трудно было придумать приспособление, чтобы поворачивать его автоматически.
А - цилиндр; В - поршень; С - шток с крюком для подвешивания груза; D - наружный цилиндр (кожух); Е и G - паровпускные отверстия; F - трубка, соединяющая цилиндр с конденсатором; К - конденсатор; Р - насос; R - резервуар; V - клапан для выхода воздуха, вытесняемого паром; К, Р, R - заполнены водой. Пар впускается через G в пространство между А и D и через Е в цилиндр А. При небольшом подъеме поршня в цилиндре насоса Р (поршень не изображен на рисунке) уровень воды в К понижается и пар из А переходит в К и тут осаждается. В А получается разрежение, и пар, находящийся между А и D, давит на поршень В и поднимает его вместе с подвешенным к нему грузом.
Основная идея, отличающая машину Уатта от машины Ньюкомена, заключалась в изолированной камере для конденсации (охлаждения пара).
Наглядное изображение:
В машине Уатта конденсатор «С» был отделён от рабочего цилиндра «Р» его не нужно было постоянно нагревать и охлаждать, благодаря этому удалось немного увеличить КПД.
В 1769-1770 годах на шахте горнозаводчика Джона Робака (Робак интересовался паровыми машинами и некоторое время финансировал Уатта), была построена большая модель машины Уатта, на которую он получил в 1769 году свой первый патент.
Суть патента
Уатт определил свое изобретение как «новый метод уменьшения расхода пара, а следовательно, и топлива в огненных машинах».
В патенте (№ 013) излагался ряд новых технич. положений, использованных Уаттом в своём двигателе:
1) Поддержание температуры стенок цилиндра равной, температуре поступающего в него пара за счёт тепловой изоляции, паровой рубашки
и отсутствия контакта с холодными телами.
2) Конденсация пара в отдельном сосуде - конденсаторе, температура в к-ром должна была поддерживаться на уровне окружающей среды.
3) Удаление из конденсатора воздуха и других неконденсирующихся тел посредством насосов.
4) Применение избыточного давления пара; в случаях недостатка воды для конденсации пара применение только избыточного давления с выхлопом в атмосферу.
5) Применение «коловратных» машин с однонаправленно вращающимся поршнем.
6) Работа с неполной конденсацией (т. е. с ухудшенным вакуумом). В этом же пункте патента описаны конструкции уплотнения поршня и отдельных деталей. При применявшихся в то время давлениях пара в 1 атм введение отдельного конденсатора и откачка воздуха из него означали реальную возможность снижения расхода пара и топлива более чем вдвое.
Спустя некоторое время Робак обанкротился и новым компаньоном Уатта стал английский промышленник Мэттью Болтон .
После ликвидации соглашения Уатта с Робаком, построенная машина была разобрана и отправлена в на завод Болтона в Сохо. На ней Уатт в течение долгого времени проверял почти все свои усовершенствования и изобретения.
О Мэттью Болтоне
Если Робак видел в уаттовской машине прежде всего лишь усовершенствованный насос, который должен был спасти его шахты от затопления, то Болтон в изобретениях Уатта видел новый вид двигателя, который должен был заменить водяное колесо.
Болтон сам пытался внести усовершенствования в машину Ньюкомена, чтобы уменьшить расход топлива. Он сделал модель, которая вызывала восторг у многочисленных лондонских великосветских друзей и покровителей. Болтон вел переписку с американским ученым и дипломатом Бенджамином Франклином о том, как лучше впрыскивать в цилиндр охлаждающую воду, о наилучшей системе клапанов. Франклин в этой области ничего толкового посоветовать не мог, но обратил внимание на другой способ достижения экономии топлива, на лучшее его сжигание и уничтожение дыма.
Болтон мечтал не о чем ином, как о мировой монополии производства новых машин. «Моей мыслью было, - писал Болтон Уатту, - устроить рядом с моим заводом, предприятие, где я сосредоточил бы все технические средства, необходимые для постройки машин, и откуда мы снабжали бы весь мир машинами любых размеров».
Болтон ясно отдавал себе отчет в том, какие для этого нужны предпосылки. Новая машина не может строиться старыми кустарными способами. «Я предполагал, - писал он Уатту, - что ваша машина потребует денег, очень точной работы и обширных связей, чтобы наивыгоднейшим образом пустить ее в оборот. Наилучший способ поддержать ее репутацию и отдать должное изобретению - это изъять ее производство из рук множества техников, которые по своему невежеству, недостатку опыта и технических средств, стали бы давать плохую работу, а это отразилось бы и на репутации изобретения».
Чтобы избежать этого, он предлагал строить специальный завод, где «при вашем содействии мы могли бы привлечь и обучить известное количество превосходных рабочих, которые, снабженные наилучшим инструментом, могли бы выполнить это изобретение на двадцать процентов дешевле и со столь же большой разницей в точности работы, какая существует между работой кузнеца и мастера математических инструментов».
Кадры высококвалифицированных рабочих, новое техническое оборудование - вот что требовалось для постройки машины в массовом масштабе. Болтон уже мыслил категориями и понятиями развитого капитализма XIX века. Но пока это были еще мечты. Не Болтоном и Уаттом, а их сыновьями было организовано лет тридцать спустя массовое производство машин - первый машиностроительный завод.
Болтон и Уатт обсуждают производство паровых машин на заводе в Сохо
Очередным этапом развития паровых машин, была герметизация верхней части цилиндра и подача пара не только в нижнюю, но и в верхнюю часть цилиндра.
Так Уаттом и Болтоном, была построена паровая машина двойного действия .
Теперь пар подавался попеременно в обе полости цилиндра. Стенки цилиндра были теплоизолированы от внешней среды.
Машина Уатта хоть и стала эффективнее машины Ньюкомена, но КПД, всё ещё был черезвычайно низок (1-2%).
Как Уатт и Болтон строили и PRили свои машины
О технологичности и культуре производства в 18 веке и речи быть не могло. Письма Уатта к Болтону наполнены жалобами на пьянство, воровство и леность рабочих. «Мы можем очень мало рассчитывать на наших рабочих в Сохо, - писал он Болтону. - Джемс Тейлор начал сильнее пить. Он упрям, своенравен и недоволен. Машина, над которой работал Картрайт, - сплошной ряд ошибок и промахов. Смит и остальные невежественны, и за всеми ими нужно ежедневно присматривать, чтобы не вышло чего-либо худшего».
Он требовал от Болтона принятия строгих мер и вообще был склонен прекратить производство машин в Сохо. «Всем лентяям нужно сказать, - писал он, - что если они будут так же невнимательны, как до сих пор, то их прогонят с завода. Расходы по постройке машины в Сохо, обходятся нам очень дорого, и если нельзя улучшить производство, то нужно его совсем прекратить и раздавать работу на сторону».
Изготовление деталей для машин, требовало надлежащего оборудывания. Поэтому разные узлы машин производились на разных заводах.
Так, на заводе Уилкинсона отливали и растачивали цилиндры, там же делали днища цилиндров, поршень, воздушный насос и конденсатор. Чугунный кожух для цилиндра отливали на одном из литейных заводов в Бирмингеме, медные трубы везли из Лондона, а небольшие детали производили на месте постройки машины. Все эти части фирма «Болтон и Уатт» заказывала за счет заказчика - владельца рудника или мельницы.
Постепенно отдельные части привозились на место и собирались под личным контролем Уатта. Позже он составил подробную инструкцию по сборке машины. Котел обычно клепался на месте местными кузнецами.
После успешного запуска машины для откачки воды на одном из рудников в Корнуолле (считался труднейшим рудником), компания «Болтон и Уатт» получила много заказов. Хозяева рудников увидели, что машина Уатта успешно справляется там, где была бессильна машина Ньюкомена. И они немедленно начали заказывать уаттовские насосы.
Уатт был завален работой. Он неделями сидел над своими чертежами, ездил на установки машин, - нигде нельзя было обойтись без его помощи и наблюдения. Он был один и всюду должен был поспевать.
Чтобы паровая машина могла приводить в действие другие механизмы, нужно было возвратно-поступательные движения преобразовать во вращательные, а для равномерного движения приспособить колесо в качестве маховика.
В первую очередь нужно было жёстко связать поршень и балансир (до этого момента использовались цепь или верёвка).
Уатт предполагал осуществлять передачу от поршня к балансиру с помощью зубчатой полосы, а на балансире поместить зубчатый сектор.
Зубчатый сектор
Эта система оказалась ненадёжной и Уатт был вынужден от неё отказаться
Передачу вращательного момента планировалось усуществить с помощью кривошипного механизма.
Кривошипный механизм
Но от кривошипа пришлось отказаться так как эта система уже была запатентована (в 1780 году) Джеимсом Пикардом . Пикард предложил Уатту кросс-лицензирование, но Уатт отказался от этого предложения и использовал в своей машине планетарную передачу. (про патенты есть неясности, в конце статьи можно почитать)
Планетарная передача
Двигатель Уатта (1788)
При создании машины с непрерывным вращательным движением, Уатту пришлось решать ряд нетривиальных задач (распределение пара по двум полостям цилиндра, автоматическая регулировка оборотов и прямолинейное движение штока поршня).
Параллелограмм Уатта
Механизм Уатта был изобретён для придания тяге поршня прямолинейного движения.
Паровой двигатель построенный по патенту Джеймса Уатта в 1848 году в Фрайберге в Германии.
Центробежный регулятор
Принцип действия центробежного регулятора простой, чем быстрее крутится вал, тем выше расходятся грузы под действием центробежной силы и тем сильнее перекрывается паропровод. Грузы опускаются - паропровод открывается.
Похожая система, давно уже была известена в мукомольном деле для регулирования расстояния между жерновами.
Уатт адаптировал регулятор для паровой машины.
Устройство парораспределения
Система «поршневых клапанов»
Чертеж составлен одним из помощников Уатта в 1783 году (буквы поставлены для пояснения). В и В - поршни, соединенные между собой трубкой С и двигающиеся в трубе D, соединенной с конденсатором Н и трубками Е и F с цилиндром A; G - паропровод; К - шток, служащий для передвижения ВВ.
В изображенном на чертеже положении поршней ВВ пространство трубы D между поршнями В и В, а также нижняя часть цилиндра А под поршнем (не изображенном на рисунке), примыкающая к F, заполнены паром, тогда как в верхней части цилиндра А, над поршнем, сообщающейся через Е и через С с конденсатором Н - состояние разрежения; при подъеме ВВ выше F и E нижняя часть А через F будет сообщаться с H, а верхняя часть через Е и D - с паропроводом.
Нагляный рисунок
Однако, вплоть до 1800 года Уатт продолжал пользоваться тарелочными клапанами (металлические диски, поднимавшиеся или опускавшиеся над соответствующими окнами, и приводившиеся в движение сложной системой рычагов), так как изготовление системы «поршневых клапанов» требовало высокой точности.
Разработкой механизма парораспределения занимался в основном помошник Уатта Уильям Мердок .
Мердок, продолжал совершенствовать механизм парораспределения и в 1799 году запатентовал D - образный золотник (коробчатый золотник).
В зависимости от положения золотника, окна (4) и (5) сообщаются с замкнутым пространством (6) окружающим золотник и заполненным паром, или с полостью 7, соединённой с атмосферой или конденсатором.
После всех усовершенствований была построенна вот такая машина:
Пар с помощью парораспределителя, попеременно подавался в разные полости цилиндра, а центробежный регулятор управлял клапаном подачи пара (если машина слишком разгонялась клапан прикрывался и наоборот открывался если слишком замедлялась).
Наглядное видео
Эта машина уже могла работать не только как насос, но и приводить в действие другие механизмы.
В 1784 году Уатт получил патент на универсальный по применению паровой двигатель (патент № 1432).
Про мельницу
В 1986 году Болтон и Уатт построили в Лондоне мельницу («Мельница Альбиона»), приводимую в действие паровой машиной. Когда мельницу пустили в ход, началось настоящее паломничество. Лондонцы живо интересовались техническими усовершенствованиями.
Уатт, не знакомый с маркетингом, возмущался тем, что зеваки мешают ему работать и требовал прекращения доступа посторонних. Болтон же считал что, о машине должны узнать как можно больше людей и поэтому отвергал просьбы Уатта.
Вобщем недостатка в клиентах Болтон и Уатт не испытывали. В 1791 году мельница сгорела (а может её подожгли, так как мукомолы боялись конкуренции).
В конце восьмидесятых годов, Уатт прекращает совершенствовать свою машину. В письмах Болтону он пишет:
«Очень возможно, что за исключением некоторых улучшений в механизме машины ничего лучшего, чем то, что мы уже произвели, не будет допущено природой, которая для большинства вещей предопределила свой nec plus ultra (лат. «дальше некуда»)».
И позднее, Уатт утверждал, что не может открыть в паровой машине ничего нового, и если он занимается ею, то только усовершенствованием деталей и проверкой своих прежних выводов и наблюдений.
Список русской литературы
Каменский А.В. Джемс Уатт, его жизнь и научно-практическая деятельность. СПб, 1891
Вайсенберг Л.М. Джемс Уатт, изобретатель паровой машины. М. – Л., 1930
Лесников М.П. Джемс Уатт. М., 1935
Конфедератов И.Я. Джемс Уатт – изобретатель паровой машины. М., 1969
Таким образом, можно считать, что первый этап развития паровых машин закончился.
Дальнейшее развитие паровых машин было связано с увеличением давления пара и совершенствованием производства.Цитата из БСЭ
Универсальный двигатель Уатта благодаря его экономичности получил широкое распространение и сыграл большую роль в переходе к капиталистическому машинному производству. «Великий гений Уатта,- писал К. Маркс,- обнаруживается в том, что патент, взятый им в апреле 1784 г., давая описание паровой машины, изображает её не как изобретение лишь для особых целей, но как универсальный двигатель крупной промышленности» (Маркс К., Капитал, т. 1,1955, стр. 383-384).
Завод Уатта и Болтона к 1800 году построил св. 250 паровых машин, а к 1826 в Англии насчитывалось до 1500 машин с общей мощностью ок. 80000 л.с. За редким исключением это были машины уаттовского типа. После 1784 года Уатт занимался главным образом улучшением производства, а после 1800 года и вовсе отошёл от дел.
Ранее эта статья публиковалась мной на geektimes
Все права защищены © 2015
Любое использование материалов допускается только с указанием активной ссылки на источник
Парова́я маши́на - тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина - любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.
Горизонтальная стационарная двухцилиндровая паровая машина для привода заводских трансмиссий. Конец XIX в. Экспонат Музея Индустриальной Культуры. Нюрнберг
Значение паровых машин
Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Поздние паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами и электромоторами, КПД которых выше.
Паровые турбины, формально являющиеся разновидностью паровых машин, до сих пор широко используются в качестве приводов генераторов электроэнергии. Примерно 86% электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с использованием паровых турбин.
Принцип действия
Для привода паровой машины необходим паровой котёл . Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины , движение которых передаётся другим механическим частям. Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива - от кизяка до урана.
Изобретение и развитие
Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским философом, астрономом и инженером XVI века Таги-аль-Диноме. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 г. итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.
Однако дальнейшее развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики двигателей могли бы воспользоваться их результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения. Только в конце 17-го столетия паровые двигатели были созданы как единичные курьёзы. Первая машина была создана испанским изобретателем Йеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т. Севери (см. ниже). Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 г. англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 г. он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в 19-ом столетии). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной. Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-ых в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 г. создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала, как демонстрационная модель, но для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла, проложив таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. Однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил. Папен также проектировал лодку, приводимую в движение колесом с реактивной силой в комбинации концепций Таги-аль-Дина и Севери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.
Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Севери в 1698 году. На своё устройство Севери в 1698 году получил патент. Это был поршневой паровой насос, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы двигателя иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его «другом рудокопа».
Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Именно двигатель Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение, с которым принято связывать начало промышленной революции в Англии. Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах. Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления (американец Оливер Эванс и англичанин Ричард Тревитик). Р.Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм, или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования. Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7-8 миль в час. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком.
Паровые машины с возвратно-поступательным движением
Двигатели с возвратно-поступательным движением используют энергию пара для перемещения поршня в герметичной камере или цилиндре. Возвратно-поступательное действие поршня может быть механически преобразовано в линейное движение поршневых насосов или во вращательное движение для привода вращающихся частей станков или колёс транспортных средств.
Вакуумные машины
Гравюра двигателя Ньюкомена. Это изображение скопировано с рисунка в работе Дезаглирса «курс экспериментальной философии», 1744, которая является изменённой копией гравюры Генри Битона, датированной 1717 годом. Вероятно, изображён второй двигатель [хой]Ньюкомена, установленный приблизительно в 1714 в угольной шахте Гриф в Уоркшире.
Ранние паровые машины назывались вначале «огневыми машинами», а также «атмосферными» или «конденсирующими» двигателями Уатта. Они работали на вакуумном принципе и поэтому известны также как «вакуумные двигатели». Такие машины работали для привода поршневых насосов, во всяком случае, нет никаких свидетельств о том, что они использовались в иных целях. При работе паровой машины вакуумного типа в начале такта пар низкого давления впускается в рабочую камеру или цилиндр. Впускной клапан после этого закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. В двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр, и конденсат сбегает в сборник конденсата. Таким образом создаётся вакуум в цилиндре. Атмосферное давление в верхней части цилиндра давит на поршень, и вызывает его перемещение вниз, то есть рабочий ход.
Поршень связан цепью с концом большого коромысла, вращающегося вокруг своей середины. Насос под нагрузкой связан цепью с противоположным концом коромысла, которое под действием насоса возвращает поршень к верхней части цилиндра силой гравитации. Так происходит обратный ход. Давление пара низкое и не может противодействовать движению поршня.
Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. В 1774 году появилась версия паровой машины, созданная Уаттом в сотрудничестве с Мэттью Боултоном, основным нововведением которой стало вынесение процесса конденсации в специальную отдельную камеру (конденсатор). Эта камера помещалась в ванну с холодной водой, и соединялась с цилиндром трубкой, перекрывающейся клапаном. К конденсационной камере была присоединена специальная небольшая вакуумная помп (прообраз конденсатного насоса), приводимая в движение коромыслом и служащая для удаления конденсата из конденсатора. Образовавшаяся горячая вода подавалась специальным насосом (прообразом питательного насоса) обратно в котёл. Ещё одним радикальным нововведением стало закрытие верхнего конца рабочего цилиндра, в верхней части которого теперь находился пар низкого давления. Этот же пар присутствовал в двойной рубашке цилиндра, поддерживая его постоянную температуру. Во время движения поршня вверх этот пар по специальным трубкам передавался в нижнюю часть цилиндра, для того, чтобы подвергнуться конденсации во время следующего такта. Машина, по сути, перестала быть «атмосферной», и её мощность теперь зависела от разницы давлений между паром низкого давления и тем вакуумом, который удавалось получить.
версия паровой машины, созданная Уаттом
В паровой машине Ньюкомена смазка поршня осуществлялась небольшим количеством налитой на него сверху воды, в машине Уатта это стало невозможным, поскольку в верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку смесью тавота и нефти. Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.
Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничение их эффективности, были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII века. Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора. Максимальный теоретический КПД был ограничен относительно малой разницей температур по обе стороны поршня; это делало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими.
Приблизительно в 1811 году Ричарду Тревитнику потребовалось усовершенствовать машину Уатта, для того чтобы приспособить её к новым котлам Корниша. Давление пара над поршнем достигло 275 кПа (2,8 атмосферы), и именно оно давало основную мощность для совершения рабочего хода; кроме того, был существенно усовершенствован конденсатор. Такие машины получили название машин Корниша, и строились вплоть до 1890-х годов. Множество старых машин Уатта было реконструировано до этого уровня. Некоторые машины Корниша имели весьма большой размер.
Паровые машины высокого давления
В паровых машинах пар поступает из котла в рабочую камеру цилиндра, где расширяется, оказывая давление на поршень и совершая полезную работу. После этого расширенный пар может выпускаться в атмосферу или поступать в конденсатор. Важное отличие машин высокого давления от вакуумных состоит в том, что давление отработанного пара превышает атмосферное или равно ему, то есть вакуум не создаётся. Отработанный пар обычно имел давление выше атмосферного и часто выбрасывался в дымовую трубу, что позволяло увеличить тягу котла.
Важность увеличения давления пара состоит в том, что при этом он приобретает более высокую температуру. Таким образом, паровая машина высокого давления работает при большей разнице температур чем та, которую можно достичь в вакуумных машинах. После того, как машины высокого давления заменили вакуумные, они стали основой для дальнейшего развития и совершенствования всех возвратно-поступательных паровых машин. Однако то давление, которое считалось в 1800 году высоким (275-345 кПа), сейчас рассматривается как очень низкое - давление в современных паровых котлах в десятки раз выше.
Дополнительное преимущество машин высокого давления состоит в том, что они намного меньше при заданном уровне мощности, и соответственно, существенно менее дорогие. Кроме того, такая паровая машина может быть достаточно лёгкой и компактной, чтобы использоваться на транспортных средствах. Возникший в результате паровой транспорт (паровозы, пароходы) революционизировал коммерческие и пассажирские перевозки, военную стратегию, и вообще затронул практически каждый аспект общественной жизни.
Схема горизонтальной одноцилиндровой паровой машины высокого давления, двойного действия. Отбор мощности осуществляется приводным ремнем:
1 - Поршень2 - Шток поршня
3 - Ползун
4 - Шатун
5 - Коленчатый вал
6 - Эксцентрик для привода клапана
7 - Маховик
8 - Золотник
9 - Центробежный регулятор.
Паровые машины двойного действия
Следующим важным шагом в развитии паровых машин высокого давления стало появление машин двойного действия. В машинах одиночного действия поршень перемещался в одну сторону силой расширяющегося пара, но обратно он возвращался или под действием гравитации, или за счёт момента инерции вращающегося маховика, соединённого с паровой машиной.
В паровых машинах двойного действия свежий пар поочередно подается в обе стороны рабочего цилиндра, в то время как отработанный пар с другой стороны цилиндра выходит в атмосферу или в конденсатор. Это потребовало создания достаточно сложного механизма парораспределения. Принцип двойного действия повышает скорость работы машины и улучшает плавность хода.
Поршень такой паровой машины соединён со скользящим штоком, выходящим из цилиндра. К этому штоку крепится качающийся шатун, приводящий в движение кривошип маховика. Система парораспределения приводится в действие другим кривошипным механизмом. Механизм парораспределения может иметь функцию реверса для того, чтобы можно было менять направление вращения маховика машины.
Паровая машина двойного действия примерно вдвое мощнее обычной паровой машины, и кроме того, может работать с намного более легким маховиком. Это уменьшает вес и стоимость машин.
Большинство возвратно-поступательных паровых машин использует именно этот принцип работы, что хорошо видно на примере паровозов. Когда такая машина имеет два или более цилиндров, кривошипы устанавливаются со сдвигом в 90 градусов для того, чтобы гарантировать возможность запуска машины при любом положении поршней в цилиндрах. Некоторые колёсные пароходы имели одноцилиндровую паровую машину двойного действия, и на них приходилось следить, чтобы колесо не останавливалось в мёртвой точке, то есть в таком положении, при котором запуск машины невозможен.
