УАТТ, ДЖЕЙМС (Watt, James, 1736-1819), шотландский инженер и изобретатель. Родился 19 января 1736 г. в Гриноке, близ Глазго (Шотландия), в семье купца. Из-за слабого здоровья Уатт формально мало учился, но очень многое изучил самостоятельно. Уже подростком он увлекался астрономией, химическими опытами, научился всё делать своими руками, и даже заслужил от окружающих звание «мастера на все руки».

Большинство людей считают его изобретателем паровой машины, но это не совсем так.
Паровые машины, построенные Д.Папеном, Т.Севери, И.Ползуновым, Т.Ньюкоменом начали работать на шахтах ещё задолго до Д.Уатта. Они различались конструктивно, но главное в них было то, что движение поршня вызывалось попеременным нагреванием и охлаждением рабочего цилиндра. Из-за этого они были медленными и потребляли очень много топлива.

19 января 1736 г родился Джеймс Уатт (James Watt, 1736-1819), выдающийся шотландский инженер и изобретатель, прославившийся прежде всего как создатель усовершенствованной паровой машины. Но и в истории медицины критических состояний он оставил яркий след своим сотрудничеством с «Пневматическим медицинским институтом» Томаса Беддо (Beddoes, Thomas, 1760-1808). Джеймс Уатт снабжал лаборатории института необходимым оборудованием. Благодаря его участию, в «Пневматическом институте» создавались и испытывались первые ингаляторы, спирометры, газомеры и т.д.

Сам Джеймс Уатт, а также его жена и один из сыновей, неоднократно участвовали в научных экспериментах. «Пневматический институт» стал настоящим научным центром, в котором изучались свойства различных газов и их влияние на организм человека. Можно сказать, что Томас Беддо и его сотрудники были пионерами и предшественниками современной респираторной терапии. К сожалению, Томас Беддо ошибочно полагал, что туберкулёз вызывается избытком кислорода.
Поэтому сын Джеймса Уатта, Грегори, прошёл в «Пневматическом институте» совершенно бесполезный курс лечения ингаляциями углекислого газа. Однако именно в «Пневматическом институте» впервые был применён с лечебной целью кислород; были разработаны основы аэрозольной терапии; впервые была измерена общая ёмкость лёгких методом разведения водорода (Г.Дэви), и т.д. Венцом сотрудничества Уатта и Беддо по лечебному применению различных газов стала их совместная книга «Материалы по медицинскому применению искусственных сортов воздуха», вышедшая двумя изданиями (1794, 1795 гг.), и ставшая первым специальным пособием по оксигенотерапии.

В 1755 г. Уатт уехал в Лондон учиться на механика и мастера по изготовлению математических и астрономических инструментов. Освоив за год семилетнюю программу обучения, Уатт возвратился в Шотландию и получил место механика в университете Глазго. Заодно он открыл и свою собственную ремонтную мастерскую.
В университете Уатт познакомился с великим шотландским химиком Джозефом Блэком (Joseph Black, 1728-1799), открывшим углекислый газ в 1754 г. Эта встреча способствовала разработке ряда новых химических приборов, необходимых в дальнейших исследованиях Блэка, например, ледяного калориметра. В это время Джозеф Блэк занимался проблемой определения теплоты парообразования, а Уатт принимал участие в обеспечении технической стороны экспериментов.
В 1763 г. к нему, как к механику университета, обратились с просьбой отремонтировать университетскую модель паровой машины Т.Ньюкомена.

Здесь следует сделать небольшое отступление в историю создания паровых машин. Когда-то нас учили в школе, воспитывая «великодержавный шовинизм», что паровую машину изобрел русский крепостной механик Иван Ползунов, а не какой-то там Джеймс Уатт, о роли которого в создании паровых машин иногда можно было прочитать в «неправильных» с патриотической точки зрения книжках. Но на самом деле изобретателем паровой машины является не Иван Ползунов, и не Джеймс Уатт, а английский инженер Томас Ньюкомен (Thomas Newcomen, 1663-1729).
Более того, первая попытка поставить пар на службу человеку была предпринята в Англии ещё в 1698 г. военным инженером Томасом Сэйвери (Thomas Savery, 1650?-1715). Он создал паровой водоподъёмник, предназначавшийся для осушения шахт и перекачивания воды, и ставший прототипом паровой машины.

Машина Сэйвери работала следующим образом: сначала герметичный резервуар наполнялся паром, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, отчего пар конденсировался, и в резервуаре создавался частичный вакуум. После этого вода, например, со дна шахты засасывалась в резервуар через заборную трубу и после впуска очередной порции пара выбрасывалась наружу через выпускную трубу. Затем цикл повторялся, но воду можно было поднимать только с глубины менее 10,36 м, поскольку в действительности её выталкивало атмосферное давление.

Эта машина была не очень удачной, но она навела Папена на яркую мысль заменить порох водой. И в 1698 г. он построил паровую машину (в том же году свою «огненную машину» построил и англичанин Сэйвери). Вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем внутри, и образовавшийся пар толкал поршень вверх. Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень опускался вниз под действием атмосферного давления. Таким образом, посредством системы блоков машина Папена могла приводить в действие различные механизмы, например, насосы.

С паровыми машинами Сэйвери и Папена был знаком английский изобретатель Томас Ньюкомен (Thomas Newcomen,1663 - 1729), который часто бывал на шахтах в Вест Кантри, где он работал кузнецом, и поэтому хорошо понимал, как нужны надёжные насосы для предотвращения затопления шахт. Он объединил свои усилия с водопроводчиком и стекольщиком Джоном Калли в попытке построить более совершенную модель. Их первая паровая машина была установлена на угольной шахте в Стаффордшире в 1712 г.

Как и в машине Папена, поршень перемещался в вертикальном цилиндре, но в целом машина Ньюкомена была значительно более совершенной. Чтобы ликвидировать зазор между цилиндром и поршнем, Ньюкомен закрепил на торце последнего гибкий кожаный диск и налил на него немного воды.
Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. При впрыскивании в цилиндр холодной воды, пар конденсировался, в цилиндре образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом, двигавшимся наподобие качелей, поднимал вверх шток насоса. Когда поршень находился в нижней точке своего хода, в цилиндр снова поступал пар, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса или на коромысле, поршень поднимался в исходное положение. После этого цикл повторялся.
Машина Ньюкомена оказалась на редкость удачной для того времени и использовалась по всей Европе более 50 лет. Её использовали для откачки воды из многочисленных шахт в Великобритании. Это было первое крупносерийное изделие в истории техники (выпущено несколько тысяч штук).
В 1740 г. машина с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняла работу, которую бригады из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, раньше выполняли за неделю.

В 1775 г. ещё более большая машина, построенная Джоном Смитоном (создателем Эддистоунского маяка), за две недели осушила док в Кронштадте (Россия). Ранее с использованием высоких ветряков на это уходил целый год.
И, тем не менее, машина Ньюкомена была далека до совершенства. Она преобразовывала в механическую энергию всего лишь около 1 % тепловой энергии и, как следствие, пожирала огромное количество топлива, что, впрочем, не имело особого значения, когда машина работала на угольных шахтах.

В целом машины Ньюкомена сыграли огромную роль в сохранении угольной промышленности. С их помощью удалось возобновить добычу угля во многих затопленных шахтах.
Про изобретение Ньюкомена можно сказать, что это была действительно паровая машина, вернее, пароатмосферная машина. От предыдущих прототипов паровых машин её отличало следующее:

* движущей силой в ней было атмосферное давление, а разрежение достигалось при конденсации пара;
* в цилиндре находился поршень, который совершал рабочий ход под действием пара;
* вакуум достигался в результате конденсации пара при впрыскивании внутрь цилиндра холодной воды.
Поэтому на самом деле изобретателем паровой машины по праву является англичанин Томас Ньюкомен, который разработал свою пароатмосферную машину в 1712 г. (за полстолетия до Уатта).

Совершая краткий экскурс в историю создания паровых машин, нельзя пройти мимо личности нашего выдающегося соотечественника Ивана Ивановича Ползунова (1729-1766), построившего пароатмосферную машину раньше, чем это сделал Джеймс Уатт. Будучи механиком Колывано-Воскресенских горнорудных заводов на Алтае, он предложил 25 апреля 1763 г. проект и описание «огнедействующей машины». Проект попал на стол к начальнику заводов, который одобрил его и отослал в Петербург, откуда вскоре пришел ответ: «…Сей его вымысл за новое изобретение почесть должно».
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 для мощной воздуходувки. В апреле 1764 г. Ползунов приступил к строительству машины, в 15 раз более мощной по сравнению с проектом 1763 г.

Идею пароатмосферного двигателя он взял из книги И. Шлаттера «Обстоятельное наставление рудному делу…» (Санкт-Петербург, 1760 г.).
Но двигатель Ползунова коренным образом отличался от английских машин Сэйвери и Ньюкомена. Те были одноцилиндровые и пригодны лишь для откачки воды из шахт. Двухцилиндровый двигатель непрерывного действия Ползунова мог подавать дутье в печи и откачивать воду. В дальнейшем изобретатель рассчитывал приспособить его и для других нужд.
Постройку машины поручили Ползунову, в помощь которому были выделены «не знающие, но только одну склонность к тому имеющие из здешних мастеровых двое», да еще несколько подсобных рабочих. С этим «штатом» Ползунов приступил к постройке своей машины. Строилась она год и девять месяцев. Когда машина уже прошла первое испытание, изобретатель заболел скоротечной чахоткой и 16 (28) мая 1766 г., за несколько дней до завершающих испытаний, умер.
23 мая 1766 г. ученики Ползунова 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).

В это же время в Англии над созданием паровой машины работал и Джеймс Уатт. В 1763 г. к нему, как к механику университета, обратились с просьбой отремонтировать университетскую модель паровой машины Т.Ньюкомена.
Отлаживая университетскую модель пароатмосферной машины Т.Ньюкомена, Уатт убедился в низкой эффективности подобных машин. Он загорелся идеей улучшить параметры паровой машины. Ему было ясно, что основной недостаток машины Ньюкомена состоял в попеременном нагревании и охлаждении цилиндра. Каким же образом избежать этого? Ответ пришел к Уатту воскресным весенним днем 1765 г. Он понял, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если до конденсации отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. При этом перенос процесса конденсации пара за пределы цилиндра должен способствовать снижению расхода пара. Более того, цилиндр может оставаться горячим, а конденсор холодным, если снаружи их покрыть теплоизоляционным материалом.
Усовершенствования, которые внес Уатт в паровую машину (центробежный регулятор, отдельный конденсатор пара, уплотнители и др.), не только подняли коэффициент полезного действия машины, но и окончательно превратили пароатмосферную машину в паровую, а главное - машина стала легко управляемой.
В 1768 г. он подал прошение о патенте на свое изобретение. Патент он в 1769 г. получил, но построить паровую машину ему долго не удавалось. И только в 1776 г. при материальной поддержке доктора Ребека, основателя первого металлургического завода в Шотландии, паровая машина Уатта была, наконец, построена и успешно прошла испытание.

Первая машина Уатта оказалась вдвое эффективнее машины Ньюкомена. Интересно, что в основе разработок, следовавших за исходным изобретением Ньюкомена, лежало понятие “производительности” двигателя, что означало число футофунтов воды, которое закачивалось на бушель угля. Кому принадлежала идея этой единицы, теперь не известно. Этот человек не вошёл в историю науки, но, наверное, это был какой-нибудь прижимистый владелец шахты, который замечал, что некоторые двигатели работали более эффективно, чем другие, и не мог допустить того, чтобы на соседней шахте была большая норма выработки.
И хотя испытания машины прошли успешно, в ходе её дальнейшей эксплуатации стало ясно, что первая модель Уатта оказалась не совсем удачной, и сотрудничество с Ребеком прервалось. Несмотря на нехватку средств, Уатт продолжал работать над усовершенствованием паровой машины. Его работы заинтересовали Мэтью Боултона (Matthew Boulton), инженера и богатого фабриканта, владельца металлообрабатывающего завода в местечке Сохо под Бирмингемом. В 1775 г. Уатт и Боултон заключили соглашение о партнерстве.
В 1781 г. Джеймс Уатт получил патент на изобретение второй модели своей машины. Среди новшеств, внесённых в неё и в последующие модели, были:

* цилиндр двойного действия, в котором пар подавался попеременно по разные стороны от поршня, при этом отработанный пар поступал в конденсатор;
* жаровая рубашка, окружавшая рабочий цилиндр для снижения тепловых потерь, и золотник;
* преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала сначала посредством шатунно-кривошипного механизма, а затем с помощью шестеренчатой передачи, явившейся прообразом планетарного редуктора;
* центробежный регулятор для поддержания постоянства числа оборотов вала и маховик для уменьшения неравномерности вращения.
В 1782 г. эта замечательная машина, первая универсальная паровая машина «двойного действия», была построена. Крышку цилиндра Уатт оснастил изобретенным незадолго до того сальником, который обеспечивал свободное движение штока поршня, но предотвращал утечку пара из цилиндра. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой, создавая вакуум с противоположной стороны цилиндра. Поэтому поршень совершал и рабочий и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах.

Кроме того, в 1782 г. Джеймс Уатт ввел принцип расширительного действия, разделяя поток пара в цилиндре в начале его течения так, что он начинал расширяться остальную часть цикла под своим собственным давлением. Расширительное действие означает некоторую потерю в мощности, но выигрыш в «производительности». Из всех этих идей Уатта самой полезной была идея расширительного действия. В дальнейшем её практическом внедрении очень помогла индикаторная диаграмма, созданная около 1790 г. помощником Уатта Джеймсом Саузерном.
Индикатор был самопишущим устройством, который можно было присоединять к двигателю для того, чтобы отмечать давление в цилиндре в зависимости от объема пара, поступающего за данный такт. Площадь под такой кривой была мерой работы, проделанной за данный такт. Индикатор использовали для того, чтобы максимально эффективно настроить двигатель. Эта самая диаграмма впоследствии стала частью знаменитого цикла Карно (Сади Карно, 1796-1832) в теоретической термодинамике.
Поскольку в паровой машине двойного действия шток поршня совершал тянущее и толкающее действие, прежнюю приводную систему из цепей и коромысла, которая реагировала только на тягу, пришлось переделать. Уатт разработал систему связанных тяг и применил планетарный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения штока поршня во вращательное движение, использовал тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара.

Универсальный паровой двигатель двойного действия с непрерывным вращением (паровая машина Уатта) получил широкое распространение и сыграл значительную роль в переходе к машинному производству.
Запатентованная Джеймсом Уаттом «ротативная паровая машина» сначала широко применялась для приведения в действие машин и станков прядильных и ткацких фабрик, а позже и других промышленных предприятий. Это привело к резкому повышению производительности труда. Именно с этого момента англичане отсчитывают начало большой промышленной революции, которая вывела Англию на лидирующее положение в мире.
Двигатель Джеймса Уатта годился для любой машины, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самодвижущихся механизмов. Так паровая машина пришла на транспорт (пароход Фултона, 1807 г.; паровоз Стефенсона, 1815 г.). Благодаря преимуществу в средствах передвижения Англия стала ведущей державой мира.
В 1785 г. Уатт запатентовал изобретение новой топки котла, и в этом же году одна из машин Уатта была установлена в Лондоне на пивоваренном заводе Сэмюэла Уитбреда для размалывания солода. Машина выполняла работу вместо 24 лошадей. Диаметр ее цилиндра равнялся 63 см, рабочий ход поршня составлял 1,83 м, а диаметр маховика достигал 4,27 м. Машина сохранилась до наших дней, и сегодня ее можно увидеть в действии в сиднейском музее «Пауэрхауз».

Компания «Боултон и Уатт», созданная в 1775 г., испытала на себе все превратности судьбы, от падения спроса на её продукцию до защиты своих изобретательских прав в судах. Однако с 1783 дела этой компании, монополизировавшей производство паровых машин, пошли в гору. Так Джеймс Уатт стал очень обеспеченным человеком, и помощь «Пневматическому медицинскому институту» Томаса Беддо (Beddoes, Thomas, 1760-1808), с которым он начал сотрудничество в это время, Уатт оказывал весьма и весьма существенную.
Не смотря на бурную деятельность по созданию паровых двигателей, Уатт вышел в отставку с занимаемой им должности в университете Глазго только в 1800 г. Через 8 лет после своей отставки он учредил «Приз Уатта» для лучших студентов и преподавателей университета. Университетская техническая лаборатория, в которой он начинал свою деятельность, стала носить его имя. Имя Джеймса Уатта носит и колледж в Гриноке (Шотландия), родном городе изобретателя.

Эволюция паровой машины Дж.Уатта

1774 г. Паровой
водоотливной насос 1781 г. Паровой двигатель
с вращающим моментом на валу 1784 г. Паровой двигатель
двойного дествия с КШМ
Интересно, что в свое время в качестве единицы мощности Уатт предложил такую единицу, как «лошадиная сила». Эта единица измерения дожила и до наших дней. Но в Англии, где Уатта почитают как пионера промышленной революции, решили иначе. В 1882 г. Британская ассоциация инженеров решила присвоить его имя единице мощности. Теперь имя Джеймса Уатта можно прочесть на любой электрической лампочке. Это был первый в истории техники случай присвоения собственного имени единице измерения. С этого случая и началась традиция присвоения собственных имен единицам измерения.

Уатт прожил долгую жизнь и умер 19 августа 1819 года в Хитфилде близ Бирмингема. На памятнике Джеймсу Уатту написано: “Увеличил власть человека над природой”. Так оценили современники деятельность знаменитого английского изобретателя.

..

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. Позднее паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания , паровыми турбинами , электромоторами и атомными реакторами , КПД которых выше.

Паровая машина в действии

Изобретение и развитие

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном из Александрии в первом столетии - это так называемая «баня Герона», или «эолипил». Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Предполагается, что преобразование пара в механическое движение было известно в Египте в период римского владычества и использовалось в несложных приспособлениях.

Первые промышленные двигатели

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 Сейвери в 1698 году . На своё устройство Сейвери 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», который был первым паровым двигателем, на который мог быть коммерческий спрос. Это был усовершенствованный паровой двигатель Сейвери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Ньюкомен, возможно, базировался на описании экспериментов Папена, находящихся в Лондонском королевском обществе , к которым он мог иметь доступ через члена общества Роберта Гука , работавшего с Папеном.

Схема работы паровой машины Ньюкомена.
– Пар показан лиловым цветом, вода - синим.
– Открытые клапаны показаны зелёным цветом, закрытые - красным

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. Клапаны ранних двигателей Ньюкомена открывались и закрывались вручную. Первым усовершенствованием было автоматизация действия клапанов, которые приводились в движение самой машиной. Легенда рассказывает, что это усовершенствование было сделано в 1713 году мальчиком Хэмфри Поттером, который должен был открывать и закрывать клапаны; когда это ему надоедало, он связывал рукоятки клапанов верёвками и шёл играть с детьми. К 1715 году уже была создана рычажная система регулирования, приводимая от механизма самого двигателя.

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.

Хэмфри Гэйнсборо в 1760-ых годах построил модель паровой машины с конденсатором. В 1769 году шотландский механик Джеймс Уатт (возможно, использовав идеи Гейнсборо) запатентовал первые существенные усовершенствования к вакуумному двигателю Ньюкомена, которые сделали его значительно более эффективным по расходу топлива. Вклад Уатта заключался в отделении фазы конденсации вакуумного двигателя в отдельной камере, в то время как поршень и цилиндр имели температуру пара. Уатт добавил к двигателю Ньюкомена ещё несколько важных деталей: поместил внутрь цилиндра поршень для выталкивания пара и преобразовал возвратно-поступательное движения поршня во вращательное движение приводного колеса.

На основе этих патентов Уатт построил паровой двигатель в Бирмингеме . К 1782 году паровой двигатель Уатта оказался более чем в 3 раза производительнее машины Ньюкомена. Повышение эффективности двигателя Уатта привело к использованию энергии пара в промышленности. Кроме того, в отличие от двигателя Ньюкомена, двигатель Уатта позволил передать вращательное движение, в то время как в ранних моделях паровых машин поршень был связан с коромыслом, а не непосредственно с шатуном. Этот двигатель уже имел основные черты современных паровых машин.

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 . Пароход Дж. Фитча не был коммерчески успешным, поскольку с его маршрутом конкурировала хорошая сухопутная дорога. В 1802 году шотландский инженер Уильям Симингтон построил конкурентоспособный пароход, а в 1807 году американский инженер Роберт Фултон использовал паровой двигатель Уатта для привода первого коммерчески успешного парохода. 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

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.

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 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 помпа (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. 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.

Сжатие

Выпускное окно цилиндра паровой машины перекрывается несколько раньше, чем поршень доходит до своего крайнего положения, что оставляет в цилиндре некоторое количество отработанного пара. Это означает, что в цикле работы присутствует фаза сжатия, формирующая так называемую «паровую подушку» , замедляющую движение поршня в его крайних положениях. Кроме того, это устраняет резкий перепад давления в самом начале фазы впуска, когда в цилиндр поступает свежий пар.

Опережение

Описанный эффект «паровой подушки» усиливается также тем, что впуск свежего пара в цилиндр начинается несколько раньше, чем поршень достигнет крайнего положения, то есть присутствует некоторое опережение впуска. Это опережение необходимо для того, чтобы перед тем, как поршень начнёт свой рабочий ход под действием свежего пара, пар успел бы заполнить то мёртвое пространство, которое возникло в результате предыдущей фазы, то есть каналы впуска-выпуска и неиспользуемый для движения поршня объем цилиндра.

Простое расширение

Простое расширение предполагает, что пар работает только при расширении его в цилиндре, а отработанный пар выпускается напрямую в атмосферу или поступает в специальный конденсатор. Остаточное тепло пара при этом может быть использовано, например, для обогрева помещения или транспортного средства, а также для предварительного подогрева воды, поступающей в котёл.

Компаунд

В процессе расширения в цилиндре машины высокого давления температура пара падает пропорционально его расширению. Поскольку теплового обмена при этом не происходит (адиабатический процесс), получается, что пар поступает в цилиндр с большей температурой, чем выходит из него. Подобные перепады температуры в цилиндре приводят к снижению эффективности процесса.

Один из методов борьбы с этим перепадом температур был предложен в 1804 году английским инженером Артуром Вульфом, который запатентовал Компаундную паровую машину высокого давления Вульфа . В этой машине высокотемпературный пар из парового котла поступал в цилиндр высокого давления, а после этого отработанный в нем пар с более низкой температурой и давлением поступал в цилиндр (или цилиндры) низкого давления. Это уменьшало перепад температуры в каждом цилиндре, что в целом снижало температурные потери и улучшало общий коэффициент полезного действия паровой машины. Пар низкого давления имел больший объём, и поэтому требовал большего объёма цилиндра. Поэтому в компаудных машинах цилиндры низкого давления имели больший диаметр (а иногда и большую длину) чем цилиндры высокого давления.

Такая схема также известна под названием «двойное расширение», поскольку расширение пара происходит в две стадии. Иногда один цилиндр высокого давления был связан с двумя цилиндрами низкого давления, что давало три приблизительно одинаковых по размеру цилиндра. Такую схему было легче сбалансировать.

Двухцилиндровые компаундные машины могут быть классифицированы как:

• Перекрёстный компаунд - Цилиндры расположены рядом, их паропроводящие каналы перекрещены.
• Тандемный компаунд - Цилиндры располагаются последовательно, и используют один шток.
• Угловой компаунд - Цилиндры расположены под углом друг к другу, обычно 90 градусов, и работают на один кривошип.

После 1880-х годов компаундные паровые машины получили широкое распространение на производстве и транспорте и стали практически единственным типом, используемым на пароходах. Использование их на паровозах не получило такого широкого распространения, поскольку они оказались слишком сложными, частично из-за того, что сложными были условия работы паровых машин на железнодорожном транспорте . Несмотря на то, что компаундные паровозы так и не стали массовым явлением (особенно в Великобритании, где они были очень мало распространены и вообще не использовались после 1930-х годов), они получили определённую популярность в нескольких странах.

Множественное расширение

Упрощённая схема паровой машины с тройным расширением.
Пар высокого давления (красный цвет) от котла проходит через машину, выходя в конденсатор при низком давлении (голубой цвет).

Логичным развитием схемы компаунда стало добавление в неё дополнительных стадий расширения, что увеличивало эффективность работы. Результатом стала схема множественного расширения, известная как машины тройного или даже четверного расширения. Такие паровые машины использовали серии цилиндров двойного действия, объем которых увеличивался с каждой стадией. Иногда вместо увеличения объёма цилиндров низкого давления использовалось увеличение их количества, так же, как и на некоторых компаундных машинах.

Изображение справа показывает работу паровой машины с тройным расширением. Пар проходит через машину слева направо. Блок клапанов каждого цилиндра расположен слева от соответствующего цилиндра.

Появление этого типа паровых машин стало особенно актуальным для флота, поскольку требования к размеру и весу для судовых машин были не очень жёсткими, а главное, такая схема позволяла легко использовать конденсатор, возвращающий отработанный пар в виде пресной воды обратно в котёл (использовать солёную морскую воду для питания котлов было невозможно). Наземные паровые машины обычно не испытывали проблем с питанием водой и потому могли выбрасывать отработанный пар в атмосферу. Поэтому такая схема для них была менее актуальной, особенно с учётом её сложности, размера и веса. Доминирование паровых машин множественного расширения закончилось только с появлением и широким распространением паровых турбин. Однако в современных паровых турбинах используется тот же принцип разделения потока на цилиндры высокого, среднего и низкого давления.

Прямоточные паровые машины

Прямоточные паровые машины возникли в результате попытки преодолеть один недостаток, свойственный паровым машинам с традиционным парораспределением. Дело в том, что пар в обычной паровой машине постоянно меняет направление своего движения, поскольку и для впуска и для выпуска пара применяется одно и то же окно с каждой стороны цилиндра. Когда отработанный пар покидает цилиндр, он охлаждает его стенки и парораспределительные каналы. Свежий пар, соответственно, тратит определённую часть энергии на их нагревание, что приводит к падению эффективности. Прямоточные паровые машины имеют дополнительное окно, которое открывается поршнем в конце каждой фазы, и через которое пар покидает цилиндр. Это повышает эффективность машины, поскольку пар движется в одном направлении, и температурный градиент стенок цилиндра остается более или менее постоянным. Прямоточные машины одинарного расширения показывают примерно такую же эффективность, как компаундные машины с обычным парораспределением. Кроме того, они могут работать на более высоких оборотах, и потому до появления паровых турбин часто применялись для привода электрогенераторов, требующих высокой скорости вращения.

Прямоточные паровые машины бывают как одинарного, так и двойного действия.

Паровые турбины

Паровая турбина представляет собой серию вращающихся дисков, закрепленных на единой оси, называемых ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закрепленных на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в нее подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии . Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения).

Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания.

Другие типы паровых двигателей

Применение

Паровые машины могут быть классифицированы по их применению следующим образом:

Стационарные машины

Паровой молот

Паровая машина на старой сахарной фабрике, Куба

Стационарные паровые машины могут быть разделены на два типа по режиму использования:

• Машины с переменным режимом, к которым относятся машины металлопрокатных станов , паровые лебёдки и подобные устройства, которые должны часто останавливаться и менять направление вращения.
• Силовые машины, которые редко останавливаются и не должны менять направление вращения. Они включают энергетические двигатели на электростанциях , а также промышленные двигатели, использовавшиеся на заводах, фабриках и на кабельных железных дорогах до широкого распространения электрической тяги. Двигатели малой мощности используются на судовых моделях и в специальных устройствах.

Паровая лебёдка в сущности является стационарным двигателем, но установлена на опорной раме, чтобы её можно было перемещать. Она может быть закреплена тросом за якорь и передвинута собственной тягой на новое место.

Транспортные машины

Паровые машины использовались для привода различных типов транспортных средств, среди них:

• Сухопутные транспортные средства:
  • Паровой автомобиль
  • Паровой трактор
  • Паровой экскаватор, и даже
• Паровой самолёт.

В России первый действующий паровоз был построен Е. А. и М. Е. Черепановыми на Нижне-Тагильском заводе в 1834 году для перевозки руды. Он развивал скорость 13 вёрст в час и перевозил более 200 пудов (3,2 тонны) груза. Длина первой железной дороги составляла 850 м.

Преимущества паровых машин

Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового Океана на разных глубинах.

Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга , которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.

Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов.

В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) -х годов, со множеством современных усовершенствований, таких, как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т.д. В результате такие паровозы имеют на 60% меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами.

Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса.

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определён как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты , содержащейся в топливе . Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла. КПД тепловой машины равен

,

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.

Паровая машина

Паровая машина - тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного 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.

Первая паровая машина построена в XVII в. Папеном в 1690 году и представляла цилиндр с поршнем, который поднимался действием пара, а опускался давлением атмосферы после сгущения отработавшего пара. На этом же принципе были построены в 1705 году паровые машины Севери и Ньюкомена для выкачивания воды из копей. Окончательные усовершенствования в паровой машине были сделаны Джеймсом Уаттом в 1769 году.

Изобретение и развитие

двигатель паровой уатт мануфактура

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, турецким астрономом, физиком и инженером XVI века Такиюддином аш-Шами. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 году 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. Первая машина была создана испанским изобретателем Иеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т. Севери. Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 году англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 году 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-м 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-х 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 году 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 только как демонстрационная модель: 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 Таки ад-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 насос Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение.

В 1781 году Джеймс Уатт запатентовал паровую машину, которая производила непрерывное вращательное движение вала (в отличие от парового насоса Ньюкомена). Двигатель Уатта, мощностью десять лошадиных сил, стало возможным, при наличии каменного угля и воды, установить и использовать в любом месте для любой цели. С двигателем Уатта 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). 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 Николя-Жозеф Кюньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: "fardier а 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 узлов. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в городе Мертир-Тидвил в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком.

Изобретение паровой машины стало поворотным моментом промышленной и всеобщей истории человечества. На рубеже XVII-XVIII веков появились предпосылки к замене маломощных и неэффективных живых «двигателей», ветряных мельниц и во­дяных колес на механизмы совершенно нового типа - паровые машины . Именно паровые двигатели сделали возможным свер­шение промышленной революции и достижение современного уровня развития техники.

Считается, что первую паровую машину изобрел шотландский механик Джеймс Уатт - ведь не зря же его именем названа между­народная единица мощности Ватт! Однако в действительности Уатт сделал массу усовершенствований и предложил новый тип двига­теля, а история паровых машин берет свое начало гораздо раньше.

Использование пара для приведения в действие механизма впервые описано древнегреческим ученым Героном Александ­рийским, работавшим примерно в I веке н. э. Именно Героном был изобретен знаменитый Эолипил (или «шар Эола») - за­крепленная на оси сфера с выходящими из нее форсунками. Шар, наполненный водой, нагревался на огне, а выходящий из форсунок пар приводил сферу во вращение.

Конечно, все это не более чем игрушка, но и она была за­быта более чем на полтора тысячелетия. Впервые после Герона силу пара попытался использовать арабский инженер и философ Таги-аль-Диноме - в XVI веке им был создан прообраз паровой турбины, вращавший вертел. Почти через век - в 1615 году - француз Соломон де Ко описывает устройство, которое с по­мощью пара может поднимать воду. А в 1629 году итальянец Джованни Бранка также создает машину, напоминающую тур­бину , - нагретый пар выходил из трубки и ударял в лопатки на колесе, тем самым заставляя это колесо вращаться.

Примерно в это же время испанский инженер Йеронимо Аянс де Бомонт создал паровую машину с цилиндром - этот механизм оказал некоторое влияние на развитие событий в области усовершен­ствования паровых машин. А в 1663 году англичанин Эдвард Сомерсет описывает паровую машину для подъема воды из колодцев и шахт, а впоследствии получает и патент на это изобретение. Созданная Со­мерсетом машина проработала некоторое время в одном из англий­ских замков, но показала далеко не самые лучшие результаты.

Огромную роль в развитии паровых машин сыграли два че­ловека: француз Дени Папен и англичанин Томас Сэйвери. Па-пен в середине 70-х годов XVII века изобрел цилиндр, в котором с помощью взрыва пороха создается вакуум, а потом (в 1680 году) приспособил этот цилиндр для работы от пара. Французский ученый к концу века приблизился к созданию промышленного образца паровой машины, но его опередил Сэйвери - в 1698 году англичанин получил патент на машину, а в 1702 году механизм его конструкции начали использовать для подъема и откачивания воды. Однако эти паровые машины получили весьма ограничен­ное распространение - уж слишком несовершенны они были.

Но если устройства Папена и Сэйвери мало применялись на практике, то почему эти люди сыграли важную роль в истории техники? Все дело в том, что идеи этих инженеров-изобретателей легли в основу паровой машины, созданной в 1712 году англича­нином Томасом Ньюкоменом. Изобретатель объединил машину конструкции Сэйвери с цилиндром системы Папена, в результате чего появился достаточно совершенный двигатель, работавший на пару. Интересная деталь: управление машиной осуществля­лось вручную - для этих целей нанимали специального челове­ка, в задачи которого входило с определенной периодичностью открывать и закрывать клапаны. Как гласит легенда, в 1713 году мальчик Хэмфри Поттер, работавший у одной из машин, приду­мал, как заставить клапаны работать самостоятельно. И только в 1715 году на паровых машинах системы Ньюкомена появилась полностью автоматическая система парораспределения.

Здесь необходимо сделать два важных замечания. Во-первых, все описанные выше паровые машины являются вакуумными (или атмосферными). В машинах этого типа пар использовал­ся только для нагрева цилиндра, в котором двигался поршень. Принцип прост: пар поступает в цилиндр, нагревая его до вы­сокой температуры, после чего на цилиндр выливается холод­ная вода. Вследствие этого происходит резкое охлаждение, а в цилиндре образуется разрежение (вакуум), благодаря чему под действием атмосферного давления поршень входит вглубь цилиндра, совершая при этом работу. Во-вторых, все эти маши­ны применялись только для подъема и перемещения воды - изобретателям и в голову не приходило, что с помощью пара можно приводить в движение различные механизмы. Так что даже машину Ньюкомена нередко называют паровым насосом.

Более полувека паровые машины Ньюкомена оставались единственными механизмами, пригодными для промьшшенного исполь­зования. Лишь в начале 1760-х годов в этой области случились под­вижки - Хэмфри Гэйнсборо создал усовершенствованную паровую машину , которая, однако, не получила заметного распространения. А совершить настоящую революцию в этой области было суждено шотландскому инженеру и изобретателю Джеймсу Уатту.

В 1765 году Уатт выдвинул идею о том, что не надо охлаждать цилиндр, а лучше использовать именно силу давления пара, а не вакуум. Уже в 1769 году он получил патент на это изобретение, однако сама машина новой конструкции была создана только в 1776 году - у Уатта в то время было туго с деньгами и ему просто-напросто не на что было реализовывать свои идеи.

Но самое главное изобретение Джеймса Уатта, сделавшее его зна­менитым, появилось только в 1781 году: именно тогда инженер соз­дал паровую машину, способную выполнять любую работу . Это стало возможным благодаря преобразованию возвратно-поступательного движения поршня во вращение маховика с помощью так называ­емого планетарного механизма. А в 1784 году паровая машина Уатта приобрела окончательный вид - в ней появились более удобный и простой кривошипно-шатунный механизм и множество мелких усовершенствований. Именно эта разработка и стала называться универсальной паровой машиной , и не зря: машина вскоре появи­лась на фабриках и заводах, а в начале ХIХ века двигатели системы Уатта были поставлены на первые паровоз и пароход.

Интересно, что действующая паровая машина (и даже не одна) была создана и в России - это всем известные машины Ивана Ползунова, построенные в период с 1763 по 1766 год. Первые двигатели Ползунова показывали хорошие результаты, и в 1764 году было на­чато строительство большой паровой машины для металлолитейного завода. Строительство закончилось в 1766 году, а пуск произведен уже после смерти изобретателя. К сожалению, паровая машина Пол­зунова проработала всего 42 дня - после поломки она перестала использоваться, а через какое-то время была демонтирована.

Как видно, история паровых машин не начинается с откры­тия Джеймса Уатта, однако именно этот изобретатель создал по-настоящему эффективную и удобную машину, оказавшую огромное влияние на развитие промышленности и техники. За эти заслуги в 1882 году именем Уатта стала называться еди­ница мощности, известная нам как ватт.