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.
Накопление новых практических знаний в XVI–XVII веках привело к неслыханным взлетам человеческой мысли. Водяные и ветряные колеса вращают станки, приводят в движение кузнечные меха, помогают металлургам поднимать руду из шахт, т. е. там, где руки человека не могут справиться с тяжелой работой, на помощь им приходит энергия воды и ветра. Основные достижения техники того времени обязаны не столько ученым и науке, сколько кропотливому труду искусных изобретателей. Достижения в технике горного дела, в добыче разнообразных руд и полезных ископаемых были особенно велики. Нужно было поднять добытую руду или уголь из шахты, все время откачивать заливавшие разработку грунтовые воды, постоянно подавать в шахту воздух и ещё множество самых разнообразных трудоемких работ требовалось для того, чтобы не остановилась добыча. Таким образом, развивающаяся промышленность властно требовала все больше и больше энергии, а её могли предоставить в те времена в основном водяные колеса. Их уже научились строить достаточно мощными. В связи с ростом мощности колес все шире стал применяться металл для валов и некоторых других деталей. Во Франции па реке Сене в 1682 г. мастером Р. Салемом под руководством А. де Виля была сооружена крупнейшая для того времени установка, состоящая из 13 колес диаметром по 8 м, служившая для привода более 200 насосов, подававших воду на высоту свыше 160 м, и обеспечивавшая водой фонтаны в Версале и Марли. На первых хлопчатобумажных фабриках применялся гидравлический двигатель. Машины прядильни Аркрайта с самого начала приводились в движение водой. Однако водяные колеса возможно было устанавливать лишь на реке, желательно полноводной и быстрой. И если текстильную или металлообрабатывающую фабрику ещё можно было построить на берегу реки, то залежи руды или угольные пласты нужно было разрабатывать только в местах залегания. А для откачки заливавших шахту подземных вод и подъема добытой руды или угля на поверхность тоже необходима была энергия. Поэтому на шахтах, удаленных от рек, приходилось использовать только силу животных.
Владелец одной английской шахты в 1702 году для приведения в действие насосов, откачивающих воду из шахты, вынужден был держать 500 лошадей, что было очень невыгодно.
Развивающейся промышленности требовались мощные двигатели нового типа, которые позволяли бы создавать производство в любом месте. Первым толчком к созданию новых двигателей, способных работать в любом месте независимо от того, есть рядом река или нет, послужила именно нужда в насосах и подъемниках в металлургии и горном деле.
Способность пара производить механическую работу давно была известна человеку. Первые следы действительного разумного применения пара в механике упоминаются в 1545 г. в Испании, когда флотский капитан
Бласко де Гарай сконструировал машину, с помощью которой приводил в движение боковые гребные колеса корабля и которая по приказу Карла V впервые была испытана в барселонской гавани при перевозке 4000 центнеров груза кораблем на три морских мили за два часа. Изобретатель был вознагражден, но сама машина осталась без применения и была предана забвению.
В конце XVII века в странах с наиболее развитым мануфактурным производством зарождаются элементы новой машинной техники с использованием свойств и силы водяного пара.
Ранние попытки создания теплового двигателя были связаны с необходимостью откачивания воды из шахт, где добывалось топливо. В 1698 году англичанин Томас Севери, бывший рудокоп, а затем капитан торгового флота, впервые предложил откачивать воду с помощью парового водоподъемника. Патент, полученный Севери, гласил:«Это новое изобретение по подъему воды и получению движения для всех видов производства при помощи движущей силы огня имеет большое значение для осушки рудников, водоснабжения городов и производства движущей силы для фабрик всех видов, которые не могут использовать водяную силу или постоянную работу ветра». Водоподъемник Севери работал по принципу засасывания воды за счет атмосферного давления в камеру, где создавалось разрежение при конденсации пара холодной водой. Паровые машины Севери были крайне неэкономичны и неудобны в эксплуатации, их нельзя было приспособить для приведения в действие станков, они потребляли огромное количество томлива, коэффициент полезного действия их был не выше 0,3%. Однако потребность в откачке воды из шахт была настолько велика, что даже эти громоздкие паровые машины типа насоса получили некоторое распространение.
Томас Ньюкомен (1663–1729) – английский изобретатель, кузнец по профессии. Совместно с лудильщиком Дж. Коули построил паровой насос, опыты по совершенствованию которого продолжались около 10 лет, пока он не начал исправно работать. Паровая машина Ньюкомена не была универсальным двигателем. Заслуга Ньюкомена в том, что он одним из первых реализовал идею использования пара для получения механической работы. Его имя носит Общество историков техники Великобритании. В 1711 году Ньюкомен, Коули и Севери создали «Компанию обладателей правами на изобретение установки для подъема воды посредством огня». Пока эти изобретатели являлись обладателями патента на «использование силы огня», вся их работа по изготовлению паровых машин проводилась в строжайшем секрете. Швед Тривальд, занимавшийся наладкой машин Ньюкомена, писал: «…изобретатели Ньюкомен и Коули были весьма подозрительны и осторожны в том, чтобы сохранить за собой и своими детьми тайну постройки и применения своего изобретения. Испанский посланник при английском дворе, который приехал из Лондона с большой свитой иностранцев посмотреть на новое изобретение, не был даже допущен в помещение, в котором находились машины». Но в 20-е годы XVIII века действие патента окончилось и изготовлением водоподъемных установок занялись многие инженеры. Появилась литература, в которой описывались эти установки.
Процесс распространения универсальных паровых машин в Англии к началу XIX в. подтверждает громадное значение нового изобретения. Если за десятилетие с 1775 по 1785 гг. было построено 66 машин двойного действия общей мощностью в 1288 л.с., то с 1785 по 1795 гг. было создано уже 144 машины двойного действия общей мощностью в 2009 л.с., а в следующее пятилетие – с 1795 по 1800 гг. – 79 машин общей мощностью в 1296 л.с.
Фактически применение в промышленности паровой машины началось с 1710 года, когда английские рабочие Ньюкомен и Коули впервые построили паровую машину, которая приводила в действие насос, установленный в шахте для выкачивания из нее воды.
Однако машина Ньюкомена не являлась паровой машиной в современном понимании этого слова, так как движущей силой в ней попрежнему был не водяной пар, а атмосферное давление воздуха. Поэтому эту машину называли «атмосферной». Хотя в машине водяной пар служил, как и в машине Севери, в основном для создания разрежения в цилиндре, здесь уже был предложен подвижный поршень – главная деталь современной паровой машины.
На рис. 4.1 показан паровой водоподъемник Ньюкомена– Коули. При опускании насосной штанги 1 и груза 2 поршень 4 поднимался и в цилиндр 5 через открытый кран 7 из котла 8 поступал пар, давление которого слегка превышало атмосферное. Пар служил для частичного подъема поршня в цилиндре, открытом сверху, но главная его роль заключалась в создании в нём разрежения. Для этой цели, когда поршень машины достигал своего верхнего положения, кран 7 закрывался, и из емкости 3 через кран6в цилиндр впрыскивалась холодная вода. Водяной пар быстро конденсировался, и атмосферное давление возвращало поршень в низ цилиндра, производя подъем насосной штанги. Из цилиндра выпускался конденсат трубкой9, поршень снова поднимался за счёт подачи пара, и описанный выше процесс повторялся. Машина Ньюкомена – это двигатель периодического действия.
Паровая машина Ньюкомена была совершенней машины Севери, более простой в эксплуатации, более экономичной и производительной. Однако машины первых выпусков работали очень неэкономично, для создания мощности в одну лошадиную силу в час сжигалось до 25 кг каменного угля, то есть коэффициент полезного действия составлял около 0,5%. Введение автоматического распределения потоков пара и воды упростило обслуживание машины, время хода поршня снизилось до 12–16 минут, что уменьшило габариты машины и удешевило конструкцию. Несмотря на высокий расход топлива, такого вида машины быстро получили широкое распространение. Уже в двадцатые годы XVIII века эти машины работали не только в Англии, но и во многих странах Европы – в Австрии, Бельгии, Франции, Венгрии, Швеции, применялись почти столетие в каменноугольной промышленности и для подачи воды в города. В России первая пароатмосферная машина Ньюкомена была установлена в 1772 г. в Кронштадте для откачки воды из дока. О распространенности машин Ньюкомена свидетельствует тот факт, что последняя в Англии машина такого типа была демонтирована только в 1934 году.
Иван Иванович Ползунов (1728–1766) – талантливый русский изобретатель, родившийся в семье солдата. В 1742 г. механику Екатеринбургского завода Никите Бахареву потребовались сметливые ученики. Выбор пал на четырнадцатилетних И. Ползунова и С. Черемисинова, ещё учившихся в Арифметической школе. Теоретическое обучение в школе уступило место практическому ознакомлению с работой самых современных тогда в России машин и установок Екатеринбургского завода. В 1748 г. Ползунов был переведен в Барнаул для работы на Колывано-Воскресенских заводах. После самостоятельного изучения книг по металлургии и минералогии в апреле 1763 года Ползуновым был предложен проект совершенно оригинальной паровой машины, которая отличалась от всех известных в то время машин тем, что была предназначена для приведения в действие воздуходувных мехов и являлась агрегатом непрерывного действия. В своей докладной записке об «огнедействующей машине» от 26 апреля 1763 г. Ползунов, по собственным его словам, хотел «...сложением огненной машины
водяное руководство пресечь и его, для сих случаев, вовсе уничтожить, а вместо плотин за движимое основание завода ее учредить так, чтобы она была в состоянии все наложенные на себя тягости, каковы к раздуванию огня обычно к заводам бывают потребны, носить и, по воле нашей, что будет потребно, исправлять». И далее он писал: «Дабы сей славы (если силы допустят) Отечеству достигнуть и чтоб то во всенародную пользу, по причине большого познания о употреблении вещей, поныне не весьма знакомых (по примеру наук прочих), в обычай ввести». В дальнейшем изобретатель мечтал приспособить машину и для других нужд. Проект И.И. Ползунова был представлен в царскую канцелярию в Петербург. Решение Екатерины II было следующим: «Её Императорское Величество не токмо им, Ползуновым, всемилостивейше довольна быть, но для вящего поощрения повелеть соизволила: пожаловать ево, Ползунова, в механикусы с чином и жалованьем капитана-поручика, и выдать ему в награждение 400 руб».
Машины Ньюкомена, прекрасно работавшие в качестве водоподъемных устройств, никак не могли удовлетворить возникшую настоятельную потребность в универсальном двигателе. Они только подготовили почву для создания универсальных паровых двигателей непрерывного действия.
На начальном этапе развития паровых машин необходимо выделить «огненную машину» русского горного мастера Ползунова. Двигатель предназначался для приведения в действие механизмов одной из плавильных печей Барнаульского завода.
По проекту Ползунова (рис. 4.2) пар из котла (1) подавался в один, скажем, левый цилиндр (2), где поднимал поршень (3) до крайнего верхнего положения. Затем из резервуара в цилиндр впрыскивалась струя холодной воды (4), что приводило к конденсации пара. В результате давления атмосферы на поршень он опускался, в то время как в правом цилиндре в результате давления пара поршень поднимался. Водопарораспределение в машине Ползунова осуществлялось специальным автоматическим устройством (5). Непрерывное рабочее усилие от поршней машины передавалось на шкив (6), насаженный на вал, с которого движение передавалось водопарораспределительному устройству, питательному насосу, а также рабочему валу, от которого приводились в движение воздуходувные меха.
Двигатель Ползунова относился к типу «атмосферных», но в нем изобретатель впервые ввел суммирование работы двух цилиндров с поршнями на один общий вал, чем обеспечил более равномерный ход двигателя. Когда один из цилиндров находился на холостом ходу, у другого был ход рабочий. Двигатель имел автоматическое парораспределение и впервые не был непосредственно связан с рабочей машиной. И.И. Ползунов создавал свою машину в чрезвычайно трудных условиях, своими руками, не имея необходимых средств и специальных станков. В его распоряжении не было искусных мастеров: руководство завода прикомандировало к Ползунову четырех учеников и выделило двух отставных рабочих. Топор и другие нехитрые инструменты, применявшиеся при изготовлении обычных тогда машин, здесь были мало пригодны. Ползунову пришлось самостоятельно конструировать и сооружать новое оборудование для своего изобретения. Строительство большой машины, высотой около 11 метров, сразу с листа, не опробованной даже на модели, без специалистов, потребовало огромного напряжения сил. Машина была построена, но 27 мая 1766 года И.И. Ползунов умер от скоротечной чахотки, не дожив неделю до испытаний «большой машины». Сама же машина, испытанная учениками Ползунова, не только окупившая себя, но и принесшая прибыль, проработала 2 месяца, дальнейшего усовершенствования не получила и после поломки была заброшена и забыта. После двигателя Ползунова прошло полстолетия, прежде чем в России стали применять паровые машины.
Джеймс Уатт – английский изобретатель, создатель универсальной паровой машины, член Лондонского королевского общества – родился в городе Гринок в Шотландии. С 1757 года работал механиком в университете в Глазго, где познакомился со свойствами водяного пара и провёл исследования зависимости температуры насыщенного пара от давления. В 1763–1764 гг., налаживая модель паровой машины Ньюкомена, предложил сократить расход пара отделением конденсатора пара от цилиндра. С этого времени начинаются его работы по усовершенствованию паровых машин, исследованию свойств пара, постройке новых машин и т.д., которые продолжались всю его жизнь. На памятнике Уатту в Вестминстерском аббатстве высечена надпись: «… применив к усовершенствованию паровой машины силу творческого гения, расширил производительность своей страны, увеличил власть человека над природой и занял выдающееся место среди наиболее прославившихся людей науки и истинных благодетелей человечества». В поисках средств для сооружения своего двигателя Уатт стал мечтать о выгодной работе за пределами Англии. В начале 70-х годов он заявил друзьям, что «ему надоело отечество», и серьезно повел разговоры о переезде в Россию. Русское правительство предложило английскому инженеру «занятие, сообразное с его вкусом и познаниями» и с ежегодным жалованьем в 1000 фунтов стерлингов. Отъезду Уатта в Россию помешал контракт, который он заключил в 1772 г. с капиталистом Болтоном, владельцем машиностроительного предприятия в г. Сохо близ Бирмингема. Болтон давно знал об изобретении новой, «огненной», машины, но колебался субсидировать ее постройку, сомневаясь в практической ценности машины. Заключить договор с Уаттом он поторопился лишь тогда, когда возникла реальная угроза отъезда изобретателя в Россию. Договор, связавший Уатта с Болтоном, оказался весьма действенным. Болтон показал себя умным и дальновидным человеком. Он не поскупился на расходы по сооружению машины. Болтон понял, что гений Уатта, освобожденный от мелочной, изнурительной заботы о куске хлеба, развернется в полную мощь и обогатит предприимчивого капиталиста. Кроме того, сам Болтон был крупным инженером-механиком. Технические идеи Уатта увлекли и его. Завод в Сохо славился первоклассным по тем временам оборудованием, имел квалифицированные рабочие кадры. Поэтому Уатт с восторгом принял предложение Болтона наладить на заводе производство паровых машин новой конструкции. С начала 70-х годов и до конца своей жизни Уатт оставался главным механиком завода. На заводе в Сохо в конце 1774 г. была построена первая машина двойного действия.
Машина Ньюкомена была сильно усовершенствована за столетие своего существования, но оставалась «атмосферной» и не отвечала нуждам быстрорастущей техники мануфактурного производства, которая требовала организации вращательного движения с большой скоростью.
Поиски многих изобретателей были направлены на достижение поставленной цели. Только в одной Англии за последнюю четверть ХVIII века было выдано свыше десятка патентов на универсальные двигатели самых разных систем. Однако только Джеймсу Уатту удалось предложить промышленности универсальную паровую машину.
Уатт начал свою работу над паровой машиной почти одновременно с Ползуновым, но в разных условиях. В Англии в это время бурно развивалась промышленность. Уатт активно был поддержан Болтоном, хозяином нескольких заводов в Англии, ставшим впоследствии его компаньоном, парламентом, имел возможность использовать высококвалифицированные инженерные кадры. В 1769 году Уатт запатентовал паровой двигатель с отдельным конденсатором, а затем – применение в двигателе избыточного давления пара, что значительно снижало расход топлива. Уатт стал по справедливости творцом паровой поршневой машины.
На рис. 4.3, приведена схема одной из первых паровых машин Уатта. Паровой котел1 с поршневым цилиндром3 связан паропроводом2 , по которому пар периодически впускается в верхнюю над поршнем4 и в нижнюю под поршнем полости цилиндра. Эти полости соединены с конденсатором трубой5 , где отработанный пар конденсируется холодной водой и создается разряжение. Машина имеет балансир6 , связывающий при помощи шатуна7 поршень с мотылем вала, на конце которого насажен маховик8 .
В машине впервые применен принцип двойного действия пара, который заключается в том, что свежий пар впускается в цилиндр машины поочередно в камеры по обеим сторонам поршня. Введение Уаттом принципа расширения пара состояло в том, что свежий пар впускался в цилиндр только на части хода поршня, затем пар отсекался, а дальнейшее движение поршня осуществлялось за счет расширения пара и падения его давления.
Таким образом, в машине Уатта решающей движущей силой стало не атмосферное давление, а упругость пара повышенного давления, приводящего в движение поршень. Новый принцип работы пара потребовал полного изменения в устройстве машины, особенно цилиндра и парораспределения. Для устранения конденсации пара в цилиндре Уатт впервые ввел паровую рубашку цилиндра, при помощи которой он стал обогревать его рабочие стенки паром, а наружную сторону паровой рубашки заизолировал. Поскольку Уатт для создания равномерного вращательного движения не мог в своей машине применить шатунно-кривошипный механизм (на такую передачу был взят охранный патент французским изобретателем Пикаром), то в 1781 г. он взял патент на пять способов преобразования качательного движения в непрерывно-вращательное. Вначале для этой цели он применял планетарное, или солнечное, колесо. Наконец, Уатт ввел центробежный регулятор скорости для изменения количества подачи пара в цилиндр машины при изменении числа оборотов. Таким образом, Уатт в своей паровой машине заложил основные принципы устройства и работы современной паровой машины.
Паровые машины Уатта работали на насыщенном паре низкого давления 0,2– 0,3 МПа, при небольшом числе оборотов в минуту. Паровые машины, измененные таким образом, дали прекрасные результаты, понизив в несколько раз расход угля на л.с./ч (лошадиную силу в час) по сравнению с машинами Ньюкомена, и вытеснили водяное колесо из горнорудной промышленности. В середине 80-х годов XVIII в. конструкция паровой машины была окончательно разработана, и паровая машина двойного действия стала универсальным тепловым двигателем, нашедшим широкое применение почти во всех отраслях хозяйства многих стран. В XIX веке распространение получают шахтные подъемные паросиловые установки, паросиловые воздуходувки, прокатные паросиловые установки, паровые молоты, паровые насосы и т.д.
Дальнейшее увеличение к.п.д. паросиловой установки было достигнуто современником Уатта Артуром Вольфом в Англии путём введения многократного расширения пара последовательно в 2, 3 и даже в 4 приема, при этом пар переходил из одного цилиндра машины в другой.
Отказ от балансера и использование многократного расширения пара привели к созданию новых конструктивных форм машин. Двигатели двукратного расширения стали оформляться в виде двух цилиндров– цилиндра высокого давления (ЦВД) и цилиндра низкого давления (ЦНД), куда поступал отработанный пар после ЦВД. Цилиндры располагались либо горизонтально (компаундмашина, рис. 4.4,а ), либо последовательно, когда оба поршня посажены на общий шток (тандем-машина, рис. 4.4,б ).
Большое значение для повышения к.п.д. паровых машин стало использование в середине XIX века перегретого пара с температурой до 350°С, что позволило снизить расход топлива до 4,5 кг на л.с./ч. Применение перегретого пара было впервые предложено французским ученым Г.А. Гирном.
Джордж Стефенсон (1781–1848) родился в рабочей семье, работал на угольных копях Ньюкасла, где работали также его отец и дед. Он много занимался самообразованием, изучал физику, механику и другие науки, интересовался изобретательской деятельностью. Выдающиеся способности Стефенсона привели его на должность механика, а в 1823 г. он был назначен главным инженером компании по строительству первой железной дороги общего пользования Стоктон-Дарлингтон; это открыло ему большие возможности конструкторской, изобретательской работы.
В России первые паровозы были построены русскими механиками и изобретателями Черепановыми – Ефимом Алексеевичем (отцом, 1774–1842) и Мироном Ефимовичем (сыном, 1803–1849), работавшими на Нижнетагильских заводах и бывшими крепостными заводчиков Демидовых. Черепановы путем самообразования стали образованными людьми, они посещали заводы Петербурга и Москвы, Англии и Швеции. За изобретательскую деятельность Мирону Черепанову и его жене в 1833 г. была дана вольная. Ефиму Черепанову и его жене вольная была дана в 1836 г. Черепановы создали около 20 различных паровых машин, работавших на Нижнетагильских заводах.
Высокое давление пара для паровых машин впервые применил Оливер Эванс в Америке. Это привело к снижению расхода топлива еще до 3 кг на л.с./ч. Позднее конструкторы паровозов стали применять многоцилиндровые паровые машины, пар избыточного давления, устройство для реверсирования.
В XVIII в. возникло вполне понятное стремление использовать паровую машину на наземном и водном транспорте. В развитии паровых машин самостоятельное направление составили локомотивы – передвижные паросиловые установки. Первая установка такого типа была разработана английским строителем Джоном Смитом. Фактически развитие парового транспорта началось с установки в жаротрубных котлах дымогарных труб, что значительно повысило их паропроизводительность.
Было сделано немало попыток разработки паровых локомотивов – паровозов, были построены действующие модели (рис. 4.5, 4.6). Из них выделяется построенный талантливым английским изобретателем Джорджем Стефенсоном (1781–1848) в 1825 г. паровоз «Ракета» (см. рис. 4.6,а, б ).
«Ракета» была не первым паровозом, сконструированным и построенным Стефенсоном, но этот превосходил другие по многим показателям и был признан лучшим локомотивом на специальной выставке в Рейхилле и рекомендован для новой железной дороги Ливерпуль-Манчестер, ставшей в то время образцовой. В 1823 г. Стефенсон организовал первый паровозостроительный завод в г. Ньюкасле. В 1829 году в Англии был организован конкурс на лучший паровоз, победителем которого была признана машина Дж. Стефенсона. Его паровоз «Ракета», разработанный на основе дымогарного котла, при массе поезда 17 т развивал скорость 21 км/ч. Позже скорость «Ракеты» была увеличена до 45 км/ч.
Железные дороги начали играть в XVIII в. огромную роль. Первая пассажирская железная дорога в России протяженностью 27 км по решению царского правительства была построена иностранными предпринимателями в 1837 г. между Петербургом и Павловском. Двухколейная железная дорога Петербург- Москва начала действовать в 1851 г.
В 1834 году отец и сын Черепановы построили первый российский паровоз (см. рис.4.6,в, г ), перевозивший груз массой 3,5 т со скоростью 15 км/ч. Последующие их паровозы перевозили груз массой 17 т.
Попытки использовать паровую машину в водном транспорте предпринимались с начала XVIII в. Известно, например, что французский физик Д.Папен (1647–1714) построил лодку, приводившуюся в движение паровой машиной. Правда, успехов в этом деле Папен не добился.
Задачу решил американский изобретатель Роберт Фултон (1765–1815), родившийся в г. Литл-Бритон (теперь г. Фултон) в штате Пенсильвания. Любопытно отметить, что первые большие успехи в создании паровых машин для промышленности, железнодорожного и водного транспорта выпадали на долю талантливых людей, овладевших знаниями путем самообразования. В этом отношении не составлял исключения и Фултон. Ставший впоследствии инженером-механиком, Фултон, происходивший из небогатой семьи, вначале много занимался самообразованием. Фултон жил в Англии, где занимался строительством гидротехнических сооружений и решением ряда других технических задач. Находясь во Франции (в Париже), он построил подводную лодку «Наутилус» и паровое судно, которое было испытано на реке Сене. Но все это было только началом.
Настоящий успех пришел к Фултону в 1807 ггоду: вернувшись в Америку, он построил колесный пароход «Клермонт» грузоподъемностью 15 т, приводимый в движение с помощью паровой машины мощностью 20 л. с., который в августе 1807 г. совершил первый рейс от Нью-Йорка до Олбани протяженностью около 280 км.
Дальнейшее развитие пароходства, как речного, так и морского, пошло довольно быстро. Этому содействовал переход от деревянных на стальные конструкции судов, рост мощности и быстроходности паровых машин, введение гребного винта и ряд других факторов.
С изобретением паровой машины человек научился превращать в движение, в работу энергию, сконцентрированную в топливе.
Паровая машина – одно из очень немногих в истории изобретений, которое резко изменило картину мира, революционизировало промышленность, транспорт, дало импульс новому взлету научного знания. Она была универсальным двигателем промышленности и транспорта в течение всего XIX века, но ее возможности уже не соответствовали требованиям к двигателям, возникшим в связи со строительством электростанций и применением механизмов с высокими скоростями в конце XIX века.
На техническую арену в качестве нового теплового двигателя вместо тихоходной паровой машины выходит быстроходная турбина с более высоким к.п.д.
ПАРОВАЯ МАШИНА - тепловой двигатель, в котором потенциальная энергия пара, поступающего из парового котла, преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня.
Ра-бо-чий про-цесс паровой машины обу-слов-лен пе-рио-дическими из-ме-не-ния-ми дав-ле-ния па-ра в ци-лин-д-ре (пар, по-сту-паю-щий в ци-линдр паровой машины, рас-ши-ря-ет-ся и пе-ре-ме-ща-ет пор-шень). Воз-врат-но-по-сту-пательное дви-же-ние порш-ня пре-об-ра-зу-ет-ся с по-мо-щью кри-во-шип-но-го ме-ха-низ-ма во вра-щательное дви-же-ние ва-ла. В паровой машине двой-но-го дей-ст-вия (по-вы-ша-ет ско-рость ра-бо-ты, улуч-ша-ет плав-ность хо-да) пар, с по-мо-щью си-сте-мы па-ро-рас-пре-де-ле-ния, по-оче-рёд-но по-да-ёт-ся по обе сто-ро-ны ци-ли-нд-ра, от-ра-бо-тан-ный пар с дру-гой сто-ро-ны вы-хо-дит в ат-мо-сфе-ру или в кон-ден-сат. Для сни-же-ния те-п-ло-вых по-терь ци-линдр паровой машины ок-ру-жа-ет-ся па-ро-вой ру-баш-кой (ка-ме-ра для под-дер-жа-ния при-мер-но по-сто-ян-ной температуры сте-нок ци-лин-д-ра).
Паровые машины раз-де-ля-ют-ся по на-зна-че-нию - на ста-цио-нар-ные, не-ста-цио-нар-ные (пе-ре-движ-ные и транс-порт-ные); по ис-поль-зуе-мо-му па-ру - низ-ко-го дав-ле-ния (до 1,2 МПа), среднего дав-ле-ния (до 6 МПа), вы-со-ко-го дав-ле-ния (свыше 6 МПа); по чис-лу обо-ро-тов ва-ла - ти-хо-ход-ные (до 50 об/мин), бы-ст-ро-ход-ные (до 1000 об/мин); по дав-ле-нию вы-пус-кае-мо-го па-ра - кон-ден-са-ци-он-ные (дав-ле-ние в кон-ден-са-то-ре 0,01-0,02 МПа), вы-хлоп-ные (дав-ле-ние 0,11-0,12 МПа), те-п-ло-фи-кационные с от-бо-ром па-ра на на-гре-вательной це-ли или для па-ро-вых тур-бин (дав-ле-ни-ем от 0,12 МПа до 6 МПа) в за-ви-си-мо-сти от на-зна-че-ния от-бо-ра (например, ото-пле-ние, ре-ге-не-ра-ция, тех-но-ло-гические про-цес-сы); по рас-по-ло-же-нию ци-лин-д-ров - го-ри-зон-таль-ные, на-клон-ные, вер-ти-каль-ные; по чис-лу ци-лин-д-ров - од-но-ци-лин-д-ро-вые, мно-го-ци-лин-д-ро-вые, сдво-ен-ные, стро-ен-ные и другие, в ко-то-рых ка-ж-дый ци-линдр пи-та-ет-ся пер-вич-ным па-ром од-них и тех же па-ра-мет-ров (вклю-че-ны па-рал-лель-но). Раз-ли-ча-ют паровые машины мно-го-крат-но-го рас-ши-ре-ния, в ко-то-рых пар по-сле-до-ва-тель-но рас-ши-ря-ет-ся в 2, 3, 4 ци-лин-д-рах воз-рас-таю-ще-го объ-ё-ма, пе-ре-хо-дя из ци-лин-д-ра в ци-линдр че-рез так называемые ре-си-ве-ры (кол-лек-то-ры). Осо-бую груп-пу со-став-ля-ют пря-мо-точ-ные паровые машины, в ко-то-рых вы-пуск па-ра из по-лос-ти ци-лин-д-ра осу-ще-ст-в-ля-ет-ся кром-кой порш-ня (че-рез до-пол-нительное ок-но, от-кры-ваю-щее-ся порш-нем в кон-це ка-ж-дой фа-зы, че-рез ко-то-рое пар по-ки-да-ет ци-линдр), что по-вы-ша-ет эф-фек-тив-ность ма-ши-ны.
Пер-вое из-вест-ное уст-рой-ст-во, при-во-ди-мое в дви-же-ние па-ром (эо-ли-пил), бы-ло опи-са-но Ге-ро-ном Алек-сан-д-рий-ским . Пер-вые опы-ты с па-ром в ка-че-ст-ве сред-ст-ва для при-во-да про-во-ди-лись ещё в XVII веке. В 1680 году Д. Па-пен изо-брёл па-ро-вой ко-тёл, в 1698 году Т. Се-ве-ри изо-брёл паровую машину для от-кач-ки во-ды из шахт (па-ро-вой на-гне-та-тель-но-вса-сы-ваю-щий на-сос). В 1707 году на-сос Се-ве-ри был вы-писан Пет-ром I и ус-та-нов-лен в Лет-нем са-ду в Санкт-Пе-тер-бур-ге для по-да-чи во-ды в фон-тан.
Со-вер-шен-ст-во-ва-ние и ин-тен-сив-ное ис-поль-зо-ва-ние паровой машины на-ча-лось с XVIII века, ко-гда основной не-дос-та-ток гид-ро-си-ло-вых ус-та-но-вок (за-ви-си-мость от ме-ст-ных ус-ло-вий) стал пре-пят-ст-во-вать раз-ви-тию ме-тал-лур-гических пред-при-ятий, вне-дре-нию в про-изводство пря-диль-ных, ткац-ких ма-шин и других. В 1712 году Т. Нью-ко-мен изо-брёл паровую машину для при-во-да шахт-ных на-со-сов. В Рос-сии паровая машина Нью-ко-ме-на бы-ла ус-та-нов-ле-на в 1772 году в Крон-штад-те для от-кач-ки во-ды из до-ка. Пер-вая в Рос-сии паровая машина по-строе-на И.И. Пол-зу-но-вым в 1764-1766 годы для при-во-да воз-ду-хо-дув-ных ме-хов пла-виль-ных пе-чей. Пер-вая паровая машина как уни-вер-саль-ный дви-га-тель впер-вые соз-да-на Дж. Уат-том в 1774-1784 годы. В Рос-сии Паровую машина Уат-та впер-вые ста-ли из-го-тов-лять под руководством К.К. Гас-кой-на на Алек-сан-д-ров-ской ма-ну-фак-ту-ре в 1805; од-на из ма-шин мощ-но-стью 60 л. с. (44,1 кВт) в 1820 году бы-ла по-став-ле-на на Санкт-Пе-тербургский мо-нет-ный двор. На-чи-ная с 1820 года Е.А. и М.Е. Че-ре-па-но-вы по-строи-ли около 20 паровых машин мощ-но-стью от 2 до 60 л. с. (от 1,47 до 44,1 кВт). Паровые машины ис-поль-зо-ва-лись как при-вод-ной дви-га-тель в на-сос-ных стан-ци-ях, па-ро-во-зах, па-ро-хо-дах, па-ро-вых ав-то-мо-би-лях и других транс-порт-ных сред-ст-вах.
Паровая машина уже ко 2-й половине XIX века дос-тиг-ла вы-со-кой сте-пе-ни со-вер-шен-ст-ва. За 100 лет раз-ви-тия мощ-ность паровой машины по-вы-си-лась от 5-10 л. с. (3,68-7,35 кВт) до 20000 л. с. (14,7 МВт); дав-ле-ние по-да-вае-мо-го па-ра от 0,01 МПа до 12 МПа; температура па-ра от 100 до 400 °C; чис-ло обо-ро-тов от 20-30 до 1000 об/мин.
Од-на-ко в середине XX века паровые машины бы-ли вы-тес-не-ны дви-га-те-ля-ми внутреннего сго-ра-ния, па-ро-вы-ми тур-би-на-ми, кпд ко-то-рых вы-ше. В сво-ём раз-ви-тии паровые машины спо-соб-ст-во-ва-ли по-яв-ле-нию но-вых об-лас-тей зна-ния; со-здан-ные на ос-но-ве про-из-водственного опы-та паровые машины по-ста-ви-ли пе-ред учё-ны-ми ряд во-про-сов, раз-ре-ше-ние ко-то-рых соз-да-ло но-вую нау-ку - тех-ническую тер-мо-ди-на-ми-ку.
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.
Определение
Паровая машина - двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.
Изобретение...
История изобретения паровых машин начинает свой отсчет еще с первого столетия нашей эры. Нам становится известно устройство, описанное Героном Александрийским, и приводимое в действие паром. Пар, выходящий из сопл по касательной, закреплённых на шаре, заставлял двигатель вращаться. Настоящая же паровая турбина была изобретена в средневековом Египте гораздо позднее. Ее изобретателем является арабский философ, астроном и инженер 16 века Таги-аль-Диноме. Вертел с лопастями начинал вращаться благодаря потокам пара, направленным на него. В 1629 г. подобное решение было предложено итальянским инженером Джованни Бранка. Главным минусом этих изобретений было то, что потоки пара были рассеивающимися, а это безусловно приводит к большим потерям энергии.
Дальнейшее развитие паровых машин, не могло происходить без подобающих условий. Необходимо было и экономическое благополучие и необходимость данных изобретений. Естественно этих условий не было и не могло быть до 16 века, в виду столь низкого уровня развития. В конце 17 века была создана пара экземпляров сих изобретений, но серьезно воспринята не была. Создателем первой является испанец Аянс де Бомонт. Эдвард Сомерсет - ученый из Англии в 1663 году опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан. Но поскольку все новое трудно воспринимается человеком, то финансировать данный проект никто не решился. Создателем парового котла считается француз Дени Папен. В ходе проведения опытов по вытеснению воздуха из цилиндра, посредством взрыва пороха, он выяснил, что полный вакуум можно получить только с помощью кипящей воды. А чтобы цикл был автоматический, необходимо чтобы пар производился отдельно в котле. Папену приписывают изобретение лодки, которое приводилось в движение посредством реактивной силы в комбинации концепций Таги-аль-Дина и Севери; также его изобретением считается предохранительный клапан.
Все описанные устройства не были использованы и признаны практичными. Даже «пожарная установка», которую в 1698 году сконструировал Томас Севери, прослужила не долго. Из-за высокого давления создаваемого паром в емкостях с жидкостями, они часто взрывались. Поэтому его изобретение посчитали небезопасным. В свете всех этих неудач история изобретения паровых машин могла бы прерваться, но нет.
Превью - увеличение по клику.
На картинках изображен паровой тягач Куньо. Как можно заметить, он был очень громоздким и неудобным в управлении.
Английским кузнец, Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Он представлял собой усовершенствованную модель парового двигателя Севери. Он получил свое применение в качестве откачки воды из шахт. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, подававшему воду вверх. Двигатель Ньюкомена был популярен и пользовался спросом. Именно с появлением данного двигателя принято связывать начало английской промышленной революции. В России первая вакуумная машина была спроектирована И.И.Ползуновым в 1763 году, а через год проект был воплощен в жизнь. Она приводила в действие воздуходувные меха на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах. Идея Оливера Эванса и Ричарда Тревитика, о использовании паров высокого давления, принесла значительные результаты. Р.Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Не смотря на увеличение эффективности, так же возросло количество случаев взрывов котлов, которые не выдерживали огромного давления. Поэтому принято было использовать предохранительный клапан, для выпуска излишнего давления.
Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо продемонстрировал в 1769 году первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровая телега). Его изобретение можно посчитать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор используемый в качестве мобильного источника механической энергии показал свою эффективность, он приводил в движение различные СХ машины. В 1788 году был построен, Джоном Фитчем пароход, который осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией и Берлингтоном. Он обладал вместимостью всего 30 человек, а передвигался со скоростью до 12 км/ч. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе был продемонстрирован первый самоходный железнодорожный паровой поезд, который был построен Ричардом Тревитиком.
