Парова машина

Парова машина- тепловий двигун зовнішнього згоряння, що перетворює енергію водяної пари в механічну роботузворотно-поступального руху поршня, а потім у обертальний рух валу. У більш широкому сенсі парова машина - будь-який двигун зовнішнього згоряння, який перетворює енергію пари на механічну роботу.

Перша парова машина побудована XVII в. Папеном в 1690 році і представляла циліндр з поршнем, який піднімався дією пари, а опускався тиском атмосфери після згущення пари, що відпрацювала. На цьому ж принципі були побудовані в 1705 парові машини Півночі і Ньюкомена для викачування води з копалень. Остаточні вдосконалення в паровій машині було зроблено Джеймсом Уаттом у 1769 році.

Винахід та розвиток

двигун паровий уаттмануфактура

Перший відомий пристрій, що рухається пором, був описаний Героном Олександрійським у першому столітті. Пара, що виходить по дотичній з дюз, закріплених на кулі, змушувала останній обертатися. Реальна парова турбіна була винайдена набагато пізніше, у середньовічному Єгипті, турецьким астрономом, фізиком та інженером XVI століття Такіюддіном аш-Шамі. Він запропонував метод обертання рожна за допомогою потоку пари, що спрямовується на лопаті, закріплені по ободу колеса. Подібну машину запропонував у 1629 році італійський інженер Джованні Бранка для обертання циліндричного анкерного пристрою, який по черзі піднімав і відпускав пару лав у ступах. Паровий потік у цих ранніх парових турбінахбув не концентрованим, і більшість його енергії розсіювалася в усіх напрямках, що призводило до значних втрат енергії.

Проте розвиток парового двигуна вимагало економічних умов, у яких розробники двигунів могли б скористатися їх результатами. Таких умов не було ні в античну епоху, ні в середньовіччі, ні в епоху Відродження. Перша машина була створена іспанським винахідником Ієронімо Аянсом де Бомонт, винаходи якого вплинули на патент Т. Півночі. Принцип дії та застосування парових машин було описано також у 1655 році англійцем Едвардом Сомерсетом. У 1663 році він опублікував проект і встановив пристрій для підйому води на стіну Великої вежі в замку Реглан (поглиблення в стіні, де двигун був встановлений, були ще помітні в 19-му столітті). Однак ніхто не був готовий ризикувати грошима для цієї нової революційної концепції і парова машина залишилася нерозробленою. Одним із дослідів французького фізика та винахідника Дені Папена було створення вакууму у закритому циліндрі. У 1670-х у Парижі він у співпраці з голландським фізиком Гюйгенсом працював над машиною, яка витісняла повітря з циліндра шляхом вибуху пороху в ньому. Бачачи неповноту вакууму, створюваного при цьому, Папен після приїзду в Англію в 1680 створив варіант такого ж циліндра, в якому отримав більш повний вакуум за допомогою киплячої води, яка конденсувалася в циліндрі. Таким чином, він зміг підняти вантаж, приєднаний до поршня мотузкою, перекинутою через шків. Система працювала лише як демонстраційна модель: для повторення процесу весь апарат повинен бути демонтований і повторно зібраний. Папен швидко зрозумів, що для автоматизації циклу пар повинен бути виготовлений окремо в котлі. Тому Папен вважається винахідником парового котла, проклавши таким чином шлях до парового двигуна Ньюкомена. Однак конструкцію чинної паровий машинивін не запропонував. Папен також проектував човен, що рухається колесом з реактивною силою у комбінації концепцій Такі ад-Діна та Півночі; йому також приписують винахід безлічі важливих пристроївнаприклад, запобіжного клапана.

Жоден з описаних пристроїв мало був застосовано як рішення корисних завдань. Першим застосованим з виробництва паровим двигуном була " пожежна установка " , сконструйована англійським військовим інженером Томасом Севери 1698 року. На свій устрій Півночі у 1698 році отримав патент. Це був поршневий паровий насос, і, очевидно, не надто ефективний, тому що тепло пари щоразу губилося під час охолодження контейнера, і досить небезпечне в експлуатації, оскільки внаслідок високого тискупара ємності та трубопроводи двигуна іноді вибухали. Так як цей пристрій можна було використовувати як для обертання коліс водяного млина, так і для відкачування води із шахт винахідник назвав його "другом рудокопа".

Потім англійський коваль Томас Ньюкомен в 1712 продемонстрував свій " атмосферний двигунЦе був удосконалений паровий двигун Півночі, в якому Ньюкомен суттєво знизив. робочий тискпара. Першим застосуванням двигуна Ньюкомена була відкачування води із глибокої шахти. У шахтному насосі коромисло було пов'язане з тягою, яка спускалася до шахти камери насоса. Поворотно-поступальні рухи тяги передавалися поршню насоса, який подавав воду нагору. Саме насос Ньюкомена став першим паровим двигуном, який отримав широке практичне застосування.

У 1781 році Джеймс Уатт запатентував парову машину, яка виробляла безперервний обертальний рух валу (на відміну від парового насоса Ньюкомена). Двигун Уатта, потужністю десять кінських сил, стало можливим, за наявності кам'яного вугілля та води, встановити та використовувати в будь-якому місці для будь-якої мети. З двигуном Уатта прийнято пов'язувати початок промислової революції Англії.

Перша Росії двоциліндрова вакуумна парова машина була спроектована механіком І.І. Повзуновим у 1763 році та побудована у 1764 році для приведення в дію повітродувного хутра на Барнаульських Коливано-Воскресенських заводах.

Подальшим підвищенням ефективності було застосування пари високого тиску (американець Олівер Еванс та англієць Річард Тревітік). Тревітік успішно збудував промислові однотактові двигуни високого тиску, відомі як "корнуельські двигуни". Вони працювали з тиском 50 фунтів на квадратний дюйм або 345 кПа (3,405 атмосфери). Однак із збільшенням тиску виникала і велика небезпека вибухів у машинах та котлах, що призводило спочатку до численних аварій. З цього погляду найбільш важливим елементоммашини високого тиску був запобіжний клапан, що випускав зайвий тиск. Надійна та безпечна експлуатація розпочалася лише з накопиченням досвіду та стандартизацією процедур спорудження, експлуатації та обслуговування обладнання.

Французький винахідник Ніколя-Жозеф Кюньо в 1769 продемонстрував перший діючий самохідний паровий транспортний засіб: "fardier а vapeur" (паровий віз). Можливо, його винахід можна вважати першим автомобілем. Самохідний паровий тракторвиявився дуже корисним у якості мобільного джерела механічної енергії, що рухав інші сільськогосподарські машини: молотілки, преси та ін. -Йорк). Він піднімав на борт 30 пасажирів і йшов зі швидкістю 7-8 вузлів. 21 лютого 1804 року на металургійному заводі Пенідаррен у місті Мертір-Тідвіл у Південному Уельсі демонструвався перший самохідний залізничний паровий локомотив, збудований Річардом Тревітіком.

Рівно 245 років тому – 5 січня 1769 року – Джеймс Уатт отримав патент на винайдену ним парову машину. Чим не привід згадати історію створення парової машини з найдавніших часів?

Власне сам патент та його власник –

Історія створення парової машини починається з того, що перший опис приладу, який наводився в рух за допомогою пари, датується першим століттям і належить Герону Олександрійському.

Пара, виходячи по дотичній із дюз, які були закріплені на кулі, і змушували її обертатися.

Справжня парова турбіна була сконструйована вже в середньовічному Єгипті, інженером 16 століття, астрономом і філософом арабом Такі-ад-Діном Мухаммедом. Історія створення парової машини тривала. Він винайшов методику обертання рожна за допомогою пари. Він був спрямований на лопаті, зафіксовані по обіду колеса.

Італійський інженер Джованні Бранка запропонував схожу машину 1629 року. Вона була призначена для обертання циліндричного анкерного пристосування в ступах, яке своєю чергою піднімало і опускало пару ланок у ступах. У таких парових машинахпаровий потік не був концентрованим, і це призводило до великим втратенергії, адже значна частина енергії пари розсіювалася в усіх напрямках.

Для подальшого розвиткуісторії створення парової машини - парового пристосування - потрібна була економічна обстановка, за якої розробники двигуна могли б скористатися його результатом. Але в античній епосі, як і в середньовіччі, і навіть в Епосі Відродження таких умов не було. І лише до кінця 17-го століття були створені парові агрегати, але поки що як поодинокі курйози. Першу машину створив іспанський винахідник Ієронімо Аянс де Бомонт. Його винаходи вплинули на патент Т. Севері.

Англієць Едвард Сомерсет в 1655 описав основний принцип дії парових машин і спектр їх застосування. В 1663 він надрукував проект, і в замку Реглан встановив пристрій для підйому води на стіну великої вежі. Цей пристрійнаводилося в рух за допомогою пари (ще в 19 столітті можна було побачити поглиблення в стіні, де розташовувався двигун). Але бажаючих ризикнути грошима заради цього винаходу не знайшлося, і тому подальша розробка парової машини виявилася неможливою. Французький фізик і винахідник Дені Папен теж зробив свій внесок у історію створення парової машини – він працював над створенням вакууму, а в закритому циліндрі.

Співпрацюючи з голландським фізиком Гюйгенсом, він у 1670-х роках працював над агрегатом, який шляхом вибуху витісняв би повітря з циліндра.

Папен бачив неповноту вакууму одержуваного при вибуху, тому після прибуття до Великобританії в 1680 році, розробив такий же циліндр, але за допомогою киплячої води, яка утворювала конденсат в циліндрі, досяг більш повного вакууму.

Так цим агрегатом він зумів за допомогою мотузки перекинутої через шків, підняти вантаж, прикріплений до поршня. Але машина працювала тільки для демонстрації її можливостей і для повторної роботитреба було її повністю розібрати, та був зібрати спочатку. Тоді винахідник зрозумів, що для автоматизації циклу треба робити пару в окремому казані. Завдяки цьому Папена вважають винахідником парового котла, і таким чином він відкрив шлях парового двигуна Ньюкомена.

Але він не запропонував повну конструкціюфункціонуючої парової машини. Папен зробив величезний внесок в історію створення парової машини тим, що працював над проектуванням човна, який рухався за допомогою колеса з реактивною силою в поєднанні з винаходами Півночі і Такі ад-Діна. Так само йому приписують винахід ще ряду важливих пристроїв, один із них запобіжний клапан.

З усіх описаних пристроїв на вирішення необхідних і корисних завдань фактичного застосування знайшло жодне. Перший паровий двигун (за всю історію створення парової машини), який приніс реальну користь, був розроблений військовим інженером з Англії Томасом Севері у 1698 році. Ця конструкція – «пожежна установка». У 1698 Півночі отримав на неї патент. Загалом це був поршневий насос, але досить неефективний, тому що під час охолодження контейнера губилося тепло пари. Через високий тиск пари трубопроводи і ємності двигуна іноді вибухали, тому в експлуатації він був вкрай небезпечний. Цей агрегат застосовувався в інших галузях на водяних млинах для обертання коліс, а в шахтах з його допомогою відкачували воду. Тому винахідник дав конструкції ще одну назву "друг рудокопа".

1712 року англійський коваль представив свій винахід – «атмосферний двигун».

Це була удосконалена модель парового двигуна Півночі, тільки Ньюкомен у ньому значно зменшив робочий напір пари. Вперше цей двигун був застосований для відкачування рідини із глибокої шахти. У насосі коромисло пов'язане з тягою, що спускається до камери насоса в шахту. Поворотно-поступальні рухи тяги переходили до поршня насоса, який подавав нагору воду. Цей паровий двигун Ньюкомена став першим двигуном історія створення парової машини, який отримав широке застосування практично. Саме з винаходом цього двигуна пов'язують початок промислової революції у Великій Британії.

У 1763 року у Росії розробили перша вакуумна двоциліндрова парова машина.

Спроектував її механік І. І. Ползунов, а вже у 1764 році вона була збудована.

Застосували її на Барнаульських Коливано - Воскресенських заводах для того, щоб привести в робочий станповітродувні хутра.

Наступними хто підвищив ефективність парових машин і зробив величезний внесок в історію створення парової машини, були англієць Річард Тревітік та американець Олівер Еванс. Тревітік побудував однотактові промислові двигунивисокого тиску.

Багатьом вони відомі як "корноуельські двигуни". Їхній робочий тиск становив 50 фунтів на дюйм квадратний, або 345 кПа (3,405 атмосфери). Але збільшення тиску вело до збільшення небезпеки вибухів у котлах і машинах, а це в свою чергу призводило до багатьох аварій. Тому однією з головних деталей на парових машинах вважався запобіжний клапан. Його призначення - це випуск зайвого тиску. Безпечна та надійна роботацих агрегатів почалася з накопиченням досвіду та після стандартизації операцій спорудження, експлуатації та обслуговування.

Парова машина- тепловий двигун зовнішнього згоряння, що перетворює енергію пари в механічну роботу зворотно-поступального руху поршня, а потім в обертальний рух валу. У більш широкому сенсі парова машина - будь-який двигун зовнішнього згоряння, який перетворює енергію пари на механічну роботу.

Горизонтальна стаціонарна двоциліндрова парова машина для приводу заводських трансмісій. Кінець ХІХ ст. Експонат Музею індустріальної культури. Нюрнберг

Значення парових машин

Парові машини використовувалися як приводний двигун насосних станціях, локомотивах, на парових суднах, тягачах, парових автомобіляхта інших транспортних засобах. Парові машини сприяли широкому поширенню комерційного використання машин на підприємствах і стали енергетичною основою промислової революції XVIII століття. Пізні парові машини були витіснені двигунами внутрішнього згоряння, паровими турбінами та електромоторами, ККД яких вище.

Парові турбіни, що формально є різновидом парових машин, досі широко використовуються як приводи генераторів електроенергії. Приблизно 86% електроенергії, що виробляється у світі, виробляється з використанням парових турбін.

Принцип дії

Для приводу парової машини потрібен паровий котел. Пара, що розширюється, тисне на поршень або на лопатки. парової турбіни, рух яких передається іншим механічним частинам. Одна з переваг двигунів зовнішнього згоряння в тому, що відокремлення котла від парової машини можна використовувати практично будь-який вид палива - від кизяка до урану.

Винахід та розвиток

Перший відомий пристрій, що рухається пором, був описаний Героном Олександрійським у першому столітті. Пара, що виходить по дотичній з дюз, закріплених на кулі, змушувала останній обертатися. Реальна парова турбіна була винайдена набагато пізніше, у середньовічному Єгипті, арабським філософом, астрономом та інженером XVI століття Тагі-аль-Діноме. Він запропонував метод обертання рожна за допомогою потоку пари, що спрямовується на лопаті, закріплені по ободу колеса. Подібну машину запропонував у 1629 р. італійський інженер Джованні Бранка для обертання циліндричного анкерного пристрою, який по черзі піднімав і відпускав пару пестів у ступах. Паровий потік у цих ранніх парових турбінах був концентрованим, і більшість його енергії розсіювалася в усіх напрямах, що призводило до значних втрат енергії.

Проте розвиток парового двигуна вимагало економічних умов, у яких розробники двигунів могли б скористатися їх результатами. Таких умов не було ні в античну епоху, ні в середньовіччі, ні в епоху Відродження. Тільки наприкінці 17 століття парові двигуни були створені як поодинокі курйози. Перша машина була створена іспанським винахідником Єронімо Аянсом де Бомонт, винаходи якого вплинули на патент Т. Півночі (див. нижче). Принцип дії та застосування парових машин було описано також у 1655 р. англійцем Едвардом Сомерсетом. У 1663 р. він опублікував проект і встановив пристрій для підйому води на стіну Великої вежі в замку Реглан (поглиблення в стіні, де двигун був встановлений, були ще помітні в 19-му столітті). Однак ніхто не був готовий ризикувати грошима для цієї нової революційної концепції і парова машина залишилася нерозробленою. Одним із дослідів французького фізика та винахідника Дені Папена було створення вакууму у закритому циліндрі. У 1670-х у Парижі він у співпраці з голландським фізиком Гюйгенсом працював над машиною, яка витісняла повітря з циліндра шляхом вибуху пороху в ньому. Бачачи неповноту вакууму, створюваного при цьому, Папен після приїзду в Англію в 1680 р. створив варіант такого ж циліндра, в якому отримав більш повний вакуум за допомогою окропу, яка конденсувалася в циліндрі. Таким чином, він зміг підняти вантаж, приєднаний до поршня мотузкою, перекинутою через шків. Система працювала як демонстраційна модель, але для повторення процесу весь апарат повинен був бути демонтований і повторно зібраний. Папен швидко зрозумів, що для автоматизації циклу пар повинен бути виготовлений окремо в котлі. Тому Папен вважається винахідником парового котла, проклавши таким чином шлях до парового двигуна Ньюкомена. Однак конструкцію діючої парової машини він не запропонував. Папен також проектував човен, що рухається колесом з реактивною силою у комбінації концепцій Тагі-аль-Діна та Півночі; йому також приписують винахід безлічі важливих пристроїв, наприклад запобіжного клапана.

Жоден з описаних пристроїв мало був застосовано як рішення корисних завдань. Першим застосованим з виробництва паровим двигуном була «пожежна установка», сконструйована англійським військовим інженером Томасом Севери 1698 року. На свій устрій Півночі у 1698 році отримав патент. Це був поршневий паровий насос, і, очевидно, не надто ефективний, тому що тепло пари щоразу губилося під час охолодження контейнера, і досить небезпечне в експлуатації, оскільки внаслідок високого тиску пара ємності та трубопроводи двигуна іноді вибухали. Так як цей пристрій можна було використовувати як для обертання коліс водяного млина, так і для відкачування води з шахт, винахідник назвав його «другом рудокопа».

Потім англійський коваль Томас Ньюкомен в 1712 продемонстрував свій «атмосферний двигун». Це був удосконалений паровий двигун Півночі, у якому Ньюкомен суттєво знизив робочий тиск пари. Першим застосуванням двигуна Ньюкомена була відкачування води із глибокої шахти. У шахтному насосі коромисло було пов'язане з тягою, яка спускалася до шахти камери насоса. Поворотно-поступальні рухи тяги передавалися поршню насоса, який подавав воду нагору. Саме двигун Ньюкомена став першим паровим двигуном, який одержав широке практичне застосування, з яким прийнято пов'язувати початок промислової революції в Англії. Перша в Росії двоциліндрова вакуумна парова машина була спроектована механіком І. І. Повзуновим в 1763 і побудована в 1764 для приведення в дію повітродувного хутра на Барнаульських Коливано-Воскресенських заводах. Подальшим підвищенням ефективності було застосування пари високого тиску (американець Олівер Еванс та англієць Річард Тревітік). Р.Тревітик успішно збудував промислові однотактові двигуни високого тиску, відомі як «корнуельські двигуни». Вони працювали з тиском 50 фунтів на квадратний дюйм або 345 кПа (3,405 атмосфери). Однак із збільшенням тиску виникала і велика небезпека вибухів у машинах та котлах, що призводило спочатку до численних аварій. З цієї точки зору найбільш важливим елементом машини високого тиску був запобіжний клапан, який випускав надлишковий тиск. Надійна та безпечна експлуатація розпочалася лише з накопиченням досвіду та стандартизацією процедур спорудження, експлуатації та обслуговування обладнання. Французький винахідник Ніколас-Йозеф Куньо в 1769 продемонстрував перший діючий самохідний паровий транспортний засіб: «fardier à vapeur» (паровий віз). Можливо, його винахід можна вважати першим автомобілем. Самохідний паровий трактор виявився дуже корисним як мобільне джерело механічної енергії, що наводило в рух інші сільськогосподарські машини: молотілки, преси та ін. (штат Нью-Йорк). Він піднімав на борт 30 пасажирів і йшов зі швидкістю 7-8 миль на годину. 21 лютого 1804 року на металургійному заводі Пенідаррен у Мертір-Тідвілі в Південному Уельсі демонструвався перший самохідний залізничний паровий локомотив, збудований Річардом Тревітіком.

Парові машини зі зворотно-поступальним рухом

Двигуни зі зворотно-поступальним рухом використовують енергію пари для переміщення поршня в герметичній камері або циліндрі. Поворотно-поступальна дія поршня може бути механічно перетворена на лінійний рух поршневих насосівабо у обертальний рух для приводу частин верстатів або коліс транспортних засобів, що обертаються.

Вакуумні машини

Гравюра двигуна Ньюкомена. Це зображення скопійовано з малюнка у роботі Дезаглірса «курс експериментальної філософії», 1744 року, яка є зміненою копією гравюри Генрі Бітона, датованої 1717 роком. Ймовірно, зображено другий двигун [хой] Ньюкомена, встановлений приблизно в 1714 у вугільній шахті Гріф в Уоркширі.

Ранні парові машини називалися спочатку вогневими машинами, а також атмосферними або конденсуючими двигунами Уатта. Вони працювали на вакуумному принципіі тому відомі також як « вакуумні двигуни». Такі машини працювали для приводу поршневих насосів, принаймні немає жодних свідчень про те, що вони використовувалися в інших цілях. При роботі парової машини вакуумного типу на початку такту пар низького тискувпускається в робочу камеру чи циліндр. Впускний клапанпісля цього закривається, і пара охолоджується, конденсуючись. У двигуні Ньюкомена вода, що охолоджує, розпорошується безпосередньо в циліндр, і конденсат збігає в збірку конденсату. Таким чином створюється вакуум у циліндрі. Атмосферний тиск у верхній частині циліндра тисне на поршень і викликає його переміщення вниз, тобто робочий хід.

Поршень пов'язаний ланцюгом із кінцем великого коромисла, що обертається навколо своєї середини. Насос під навантаженням пов'язаний ланцюгом із протилежним кінцем коромисла, яке під дією насоса повертає поршень до верхньої частини циліндра силою гравітації. Так відбувається зворотний перебіг. Тиск пари низький і не може протидіяти руху поршня.

Постійне охолодження та повторне нагрівання робочого циліндра машини було дуже марнотратним і неефективним, проте ці парові машини дозволяли відкачувати воду з більшої глибини, ніж це було можливо до появи. У 1774 році з'явилася версія парової машини, створена Уаттом у співпраці з Меттью Боултоном, основним нововведенням якої стало винесення процесу конденсації у спеціальну окрему камеру (конденсатор). Ця камера поміщалася у ванну з холодною водою, і з'єднувалася з циліндром трубкою, що перекривається клапаном. До конденсаційної камери була приєднана спеціальна невелика вакуумна помп(Прообраз конденсатного насоса), що приводиться в рух коромислом і служить для видалення конденсату з конденсатора. Утворилася гаряча водаподавалася спеціальним насосом (прообразом живильного насоса) у котел. Ще одним радикальним нововведенням стало закриття верхнього кінцяробочого циліндра, у верхній частині якого тепер була пара низького тиску. Ця ж пара була у подвійній сорочці циліндра, підтримуючи його постійну температуру. Під час руху поршня вгору ця пара спеціальними трубками передавалася в нижню частину циліндра, для того, щоб піддатися конденсації під час наступного такту. Машина по суті перестала бути «атмосферною», і її потужність тепер залежала від різниці тисків між парою низького тиску і тим вакуумом, який вдавалося отримати.

версія парової машини, створена Уаттом

У паровій машині Ньюкомена мастило поршня здійснювалося невеликою кількістю налитої на нього зверху води, в машині Уатта це стало неможливим, оскільки у верхній частині циліндра тепер була пара, довелося перейти на мастило сумішшю тавота і нафти. Таке ж мастило використовувалося в сальнику штока циліндра.

Вакуумні парові машини, незважаючи на очевидні обмеження їх ефективності, були відносно безпечні, використовували пару низького тиску, що цілком відповідало загальному невисокому рівню котелень XVIII століття. Потужність машини обмежувалася низьким тиском пари, розмірами циліндра, швидкістю згоряння палива та випаровування води в котлі, а також розмірами конденсатора. Максимальний теоретичний ККД був обмежений відносно малою різницею температур з обох боків поршня; це робило вакуумні машини, призначені для промислового використання, занадто великі і дорогі.

Приблизно 1811 року Річарду Тревітнику потрібно було вдосконалити машину Уатта, щоб пристосувати її до нових котлів Корніша. Тиск пари над поршнем досяг 275 кПа (2,8 атмосфери), і саме він давав основну потужність для здійснення робочого ходу; крім того, було суттєво вдосконалено конденсатор. Такі машини отримали назву машин Корніша, і будувалися до 1890-х років. Безліч старих машин Уатта було реконструйовано до цього рівня. Деякі машини Корніша мали дуже великий розмір.

Парові машини високого тиску

У парових машинах пара надходить з котла в робочу камеру циліндра, де розширюється, чинячи тиск на поршень і здійснюючи корисну роботу. Після цього розширена пара може випускатися в атмосферу або надходити в конденсатор. Важлива відмінність машин високого тиску від вакуумних полягає в тому, що тиск відпрацьованої пари перевищує атмосферний або дорівнює йому, тобто вакуум не створюється. Відпрацьована пара зазвичай мав тиск вищий за атмосферний і часто викидався в димову трубу, що дозволяло збільшити тягу котла.

Важливість збільшення тиску пари полягає в тому, що при цьому він набуває більше високу температуру. Таким чином, парова машина високого тиску працює при більшої різницітемператур ніж та, яку можна досягти вакуумних машинах. Після того, як машини високого тиску замінили вакуумні, вони стали основою для подальшого розвитку та вдосконалення всіх зворотно-поступальних парових машин. Однак той тиск, який вважався у 1800 році високим (275-345 кПа), зараз розглядається як дуже низький - тиск у сучасних парових котлах у десятки разів вищий.

Додаткова перевага машин високого тиску полягає в тому, що вони набагато менші при заданому рівні потужності, і, відповідно, значно менш дорогі. Крім того, така парова машина може бути досить легкою та компактною, щоб використовуватися на транспортних засобах. Паровий транспорт (паровози, пароплави), що виник в результаті, революціонізував комерційні та пасажирські перевезення, військову стратегію, і взагалі торкнувся практично кожного аспекту суспільного життя.

Схема горизонтальної одноциліндрової парової машини високого тиску, подвійної дії. Відбір потужності здійснюється приводним ременем:

1 - Поршень
2 - Шток поршня
3 - Повзун
4 - Шатун
5 - Колінчастий вал
6 - Ексцентрик для приводу клапана
7 - Маховик
8 - Золотник
9 - Відцентровий регулятор.

Парові машини подвійної дії

Наступним важливим кроком у розвитку парових машин високого тиску стала поява подвійних машин. У машинах одиночної дії поршень переміщався в один бік силою пари, що розширюється, але назад він повертався або під дією гравітації, або за рахунок моменту інерції обертового маховика, з'єднаного з паровою машиною.

У парових машинах подвійної дії свіжа пара по черзі подається в обидва боки робочого циліндра, тоді як відпрацьована пара з іншого боку циліндра виходить в атмосферу або конденсатор. Це вимагало створення достатньо складного механізмупаророзподілу. Принцип подвійної дії підвищує швидкість роботи машини та покращує плавність ходу.

Поршень такої парової машини з'єднаний зі ковзним штоком, що виходить із циліндра. До цього штока кріпиться шатун, що коливається, що приводить в рух кривошип маховика. Система паророзподілу приводиться в дію іншим кривошипним механізмом. Механізм паророзподілу може мати функцію реверсу для того, щоб можна було змінювати напрямок обертання маховика машини.

Парова машина подвійної дії приблизно вдвічі потужніша за звичайну парову машину, і крім того, може працювати з набагато легшим маховиком. Це зменшує вагу та вартість машин.

Більшість зворотно-поступальних парових машин використовує саме цей принцип роботи, що добре видно з прикладу паровозів. Коли така машина має два або більше циліндрів, кривошипи встановлюються зі зсувом 90 градусів для того, щоб гарантувати можливість запуску машини при будь-якому положенні поршнів в циліндрах. Деякі колесні пароплави мали одноциліндрову парову машину подвійної дії, і на них доводилося стежити, щоб колесо не зупинялося в мертвою точкою, тобто в такому положенні, коли запуск машини неможливий.

Перша Росії двоциліндрова вакуумна парова машина була спроектована механіком І.І. Повзуновим у 1763 році та побудована у 1764 році у Барнаулі. Джеймс Ватт, який був членом комісії з прийому винаходу Ползунова, у квітні 1784 року в Лондоні отримує патент на парову машину та вважається її винахідником!

Повзунов, Іван Іванович

- механік, який влаштував першу в Росії парову машину; син солдата Єкатеринбурзьких гірських рот, він десяти років від народження вступив до Єкатеринбурзької арифметичної школи, де закінчив курс зі званням механічного учня. Серед кількох молодих людей, Ползунова відправили до Барнаула на казенні гірничі заводи, де у 1763 року він був шихтмейстером. Займаючись будівництвом уживаних при плавильних заводах і рудниках машин з водяними двигунами, Повзунов звернув увагу на складність пристрою таких машин у місцевостях, віддалених від річок, і зупинився на думці застосувати, як двигун, пар. Є деякі дані, що змушують припускати, що ця думка з'явилася в нього не самостійно, а під впливом книги Шлаттера: "Грунтовне настанова рудній справі" (СПб. 1760), в десятому розділі якої надруковано перший російською мовою опис парової машини, а саме машини Ньюкомена. Повзунов енергійно взявся за здійснення своєї ідеї, став вивчати силу та властивості водяної пари, складав креслення, робив моделі. Переконавшись, після тривалих розвідок та дослідів, у можливості замінити рушійну силу води силою пари та довести це на моделях, Повзунов у квітні 1763 р. звернувся до начальника Коливано-Воскресенських заводів, генерал-майора А. І. Порошина, з листом, у якому , виклавши мотиви, що спонукали його до пошуку нової сили, Запитував кошти на будівництво винайденої ним "вогненної машини". Про проект Ползунова було донесено Кабінету Її Величності з клопотанням про відпустку потрібної на будівництво машини суми. За доповіддю Кабінету, пішов указ Катерини II, яким вона, "для більшого заохочення", завітала Ползунова в механікуси з жалуванням і чином інженерного капітан-поручика, наказала видати у винагороду 400 р. і вказала, "буде він при заводах не потрібний, надіслати його до Петербурга, при сріблі" року на два - на три в Академію Наук, для поповнення освіти. Але керівництво не відпустило Ползунова і просило посилку його до Академії Наук на деякий час скасувати, "бо в ньому тут, для приведення тієї пари чинної машини практикою перебувати крайня потреба". Зважаючи на це, Ползунову доводилося залишитися в Сибіру до закінчення справи. До того ж була відкладена і видача вищезгаданих 400 рублів. Йому були відпущені, за представленим ним кошторисом, необхідні суми та матеріали, і він отримав можливість приступити до будівництва. 20 травня 1765 р. Повзунов вже доносив, що підготовчі роботизакінчено, і що машина буде приведена в дію у жовтні того ж року. Але до цього терміну машина була готова. Маса непередбачених труднощів і недосвідченість робітників уповільнили перебіг роботи. До того ж багатьох матеріалів, необхідні будівництва машини, не можна було дістати у Сибіру. Доводилося виписувати їх з Єкатеринбурга і чекати на надсилання протягом кількох місяців. У грудні 1765 р. Повзунов закінчив машину, витративши її у 7435 р. 51 коп. Однак йому не вдалося побачити свій винахід у справі. Проба машини була призначена в Барнаулі на 20 травня 1766, а 16 травня того ж року Ползунов вже помер "від жорстокого гортанного кровотечі". Машина Ползунова, під керівництвом його учнів Левзіна і Черніцина, протягом двох місяців розплавила в Барнаулі 9335 п. зміїногорських руд, але незабаром дія її в Барнаулі була припинена "за непотрібністю", і немає відомостей, чи була вона застосована на не володіли вододіючими двигунами Зміїногорському заводі і Семенівському руднику, куди вона спочатку призначалася самим винахідником та його начальством, У 1780 р. "побудована Повзуновим, машина, що діє парами, і будову розламані". У Барнаульському гірському музеї є модель машини Повзунова. За Ползуновим не можна визнати, як роблять деякі, честі винаходу першої парової машини. Проте машина Ползунова, справді, була перша, побудована Росії, а чи не виписана з-за кордону, парова машина; застосування ж 1765 р. парової машини задля підйому води, а інший промислової мети, вважатимуться самостійним винаходом, оскільки у Англії перше застосування парової машини для нагнітання повітря зроблено лише 1765 р.

Можливості використання енергії пари були відомі на початку нашої ери. Це підтверджує прилад під назвою Геронівський еоліпіл, створений давньогрецьким механіком Героном Олександрійським. Давній винахід можна віднести до парової турбіни, куля якої оберталася завдяки силі струменів водяної пари.

Пристосувати пару до роботи двигунів стало можливим у XVII столітті. Користувалися подібним винаходом недовго, проте він зробив істотний внесок у розвиток людства. До того ж історія винаходу парових машин дуже цікава.

Концепція

Парова машина складається з теплового двигуназовнішнього згоряння, що з енергії водяної пари створює механічний рухпоршня, а той, своєю чергою, обертає вал. Потужність парової машини прийнято вимірювати у ВАТ.

Історія винаходу

Історія винаходу парових машин пов'язана із знаннями давньогрецької цивілізації. Довгий часпрацями цієї доби ніхто не користувався. У XVI столітті було зроблено спробу створити парову турбіну. Працював над цим у Єгипті турецький фізик та інженер Такіюддін аш-Шамі.

Інтерес до цієї проблеми знову виник XVII столітті. У 1629 році Джованні Бранка запропонував свій варіант парової турбіни. Однак винаходи втрачали велика кількістьенергії. Подальші розробки вимагали відповідних економічних умов, які з'являться пізніше.

Першим, хто винайшов парову машину, вважається Дені Папен. Винахід був циліндром з поршнем, що піднімається за рахунок пари і опускається в результаті його згущення. Такий самий принцип роботи мали пристрої Севері та Ньюкомена (1705). Обладнання застосовували для викачування води з виробок для видобутку корисних копалин.

Остаточно вдосконалити пристрій вдалося Уатту у 1769 році.

Винаходи Дені Папена

Дені Папен був за освітою медиком. Народившись у Франції, 1675 року він переїхав до Англії. Він відомий багатьма своїми винаходами. Одним із них є скороварка, яку називали «Папенів котел».

Йому вдалося виявити залежність між двома явищами, а саме температурою кипіння рідини (води) і тиском, що з'являється. Завдяки цьому він створив герметичний котел, усередині якого тиск був підвищений, через що вода закипала пізніше, ніж звичайно, і підвищувалася температура обробки вміщених у нього продуктів. Таким чином, збільшувалася швидкість приготування їжі.

У 1674 році медик-винахідник створив пороховий двигун. Його робота полягала в тому, що під час займання пороху в циліндрі переміщався поршень. У циліндрі утворювався слабкий вакуум, і атмосферний тиск повертав поршень на місце. Газоподібні елементи, що утворюються при цьому, виходили через клапан, а ті, що залишилися, охолоджувалися.

До 1698 Папену вдалося створити за таким же принципом агрегат, що працює не на пороху, а на воді. Таким чином, перша парова машина була створена. Незважаючи на суттєвий прогрес, до якого могла привести ідея, суттєвої вигоди вона не принесла своєму винахіднику. Пов'язано це було з тим, що раніше інший механік Сейвері вже запатентував паровий насос, а іншого застосування для подібних агрегатів до цього часу ще не придумали.

Дені Папен помер у Лондоні в 1714 році. Незважаючи на те, що перша парова машина була винайдена ним, він залишив цей світ у злиднях і самоті.

Винаходи Томаса Ньюкомена

Найщасливішим у плані дивідендів виявився англієць Ньюкомен. Коли Папен створив свою машину, Томас мав 35 років. Він уважно вивчив роботи Сейвері та Папена і зміг зрозуміти недоліки обох конструкцій. З них він узяв усі найкращі ідеї.

Вже до 1712 року у співпраці з майстром зі скла та водопроводів Джоном Каллі він створив свою першу модель. Так продовжилася історія винаходу парових машин.

Коротко можна пояснити створену модель так:

• Конструкція поєднувала вертикальний циліндр і поршень, як у Папена.
• Створення пари відбувалося в окремому казані, який працював за принципом машини Сейвері.
• Герметичність у паровому циліндрі досягалася за рахунок шкіри, якою був обтягнутий поршень.

Агрегат Ньюкомена піднімав воду з копалень за допомогою впливу атмосферного тиску. Машина відрізнялася солідними розмірами та вимагала для роботи великої кількості вугілля. Незважаючи на ці недоліки, модель Ньюкомена використовували у шахтах півстоліття. Вона навіть дозволила знову відкрити шахти, закинуті через підтоплення ґрунтовими водами.

У 1722 році дітище Ньюкомена довело свою ефективність, відкачавши воду з корабля в Кронштадті лише за два тижні. Система з вітряком змогла б зробити це за рік.

Через те, що машину було створено на основі ранніх варіантів, англійський механік не зміг отримати на неї патент. Конструктори намагалися застосувати винахід для руху транспортного засобуале невдало. На цьому історія винаходу парових машин не припинилася.

Винахід Уатта

Першим винайшов обладнання компактних розмірівале досить потужне, Джеймс Уатт. Парова машина була першою у своєму роді. Механік з університету Глазго в 1763 почав лагодити паровий агрегат Ньюкомена. Внаслідок ремонту він зрозумів, як скоротити витрату палива. Для цього необхідно було тримати циліндр у постійно нагрітому стані. Однак парова машина Уатта не могла бути готовою, поки не вирішилася проблема конденсації пари.

Рішення прийшло, коли механік проходив повз пральні та помітив, що клуби пари виходять з-під кришок котлів. Він зрозумів, що пара - це газ, і йому потрібно переміщатися в циліндрі зі зниженим тиском.

Домогшись герметичності всередині парового циліндраза допомогою прядив'яної мотузки, просоченої олією, Уатт зміг відмовитися від атмосферного тиску. Це стало великим кроком уперед.

У 1769 році механік отримав патент, в якому прописувалося, що температура двигуна в паровій машині буде завжди дорівнює температурі пари. Однак справи невдахи винахідника йшли не так добре, як очікувалося. Він змушений був закласти патент за борги.

В 1772 він знайомиться з Метью Болтоном, який був багатим промисловцем. Той викупив та повернув Уатту його патенти. Винахідник повернувся до роботи, яку підтримував Болтон. У 1773 році парова машина Уатта пройшла випробування і показала, що споживає вугілля значно менше від своїх аналогів. Через рік в Англії розпочався випуск його машин.

У 1781 році винахіднику вдалося запатентувати свій наступний витвір - парову машину для приведення в рух промислових верстатів. Згодом усі ці технології дозволять рухати за допомогою пари поїзда та пароплави. Це повністю переверне життя людини.

Одним із людей, які змінили життя багатьох, став Джеймс Уатт, парова машина якого прискорила технічний прогрес.

Винахід Ползунова

Проект першої парової машини, яка могла наводити на дію різноманітні робочі механізми, було створено 1763 року. Розробив його російський механік І. Ползунов, який працював на гірничорудних заводах Алтаю.

Начальник заводів був ознайомлений з проектом і отримав добро створення пристрою з Петербурга. Парова машина Ползунова була визнана, і її створення було покладено на автора проекту. Останній хотів спочатку зібрати модель у мініатюрі, щоб виявити та усунути можливі недоліки, які не видно на папері. Однак йому наказали розпочати будівництво великої потужної машини.

Повзунову надали помічників, з яких двоє були схильні до механіки, а двоє мали виконувати підсобні роботи. На створення парової машини пішов один рік та дев'ять місяців. Коли парова машина Ползунова була майже готова, він захворів на сухоти. Помер автор за кілька днів до проведення перших випробувань.

Всі дії в машині відбувалися автоматично, вона могла працювати безперервно. Це було доведено у 1766 році, коли учні Ползунова провели останні випробування. За місяць обладнання було здано в експлуатацію.

Машина не просто окупила витрачені кошти, а й дала прибуток своїм власникам. До осені дав котел тек, і роботи зупинилися. Агрегат можна було полагодити, але це не зацікавило заводське начальство. Машина була занедбана, а через десятиліття розібрана через непотрібність.

Принцип дії

Для роботи всієї системи потрібний паровий котел. Пар, що утворився, розширюється і тисне на поршень, в результаті чого відбувається рух механічних частин.

Принцип дії краще вивчити за допомогою ілюстрації, наведеної нижче.

Якщо не розписувати деталі, то робота парової машини полягає в перетворенні енергії пари на механічний рух поршня.

Коефіцієнт корисної дії

ККД парової машини визначається ставленням корисної механічної роботи по відношенню до витраченої кількості тепла, що міститься в паливі. У розрахунок не береться енергія, що виділяється в навколишнє середовищеяк тепло.

ККД парової машини вимірюється у відсотках. Практичний ККД складатиме 1-8%. За наявності конденсатора та розширення проточної частини показник може зрости до 25%.

Переваги

Головною перевагою парового обладнання є те, що котел як паливо може використовувати будь-яке джерело тепла, як вугілля, так і уран. Це суттєво відрізняє його від двигуна внутрішнього згоряння. Залежно від типу останнього потрібен певний вид палива.

Історія винаходу парових машин показала переваги, які помітні сьогодні, оскільки для парового аналога можна використовувати ядерну енергію. Сам по собі ядерний реактор не може перетворювати свою енергію на механічну роботу, але він здатний виділяти велику кількість тепла. Воно те й використовується для утворення пари, яка приведе машину в рух. Так само може застосовуватися сонячна енергія.

Локомотиви, що працюють на пару, добре показують себе на великій висоті. Ефективність їхньої роботи не страждає від зниженого в горах атмосферного тиску. Паровози досі застосовують у горах Латинської Америки.

В Австрії та Швейцарії використовують нові версії паровозів, що працюють на сухій парі. Вони показують високу ефективністьзавдяки багатьом удосконаленням. Вони не вимогливі в обслуговуванні та споживають як паливо легкі нафтові фракції. За економічними показниками вони можна порівняти з сучасними електровозами. При цьому паровози значно легші за своїх дизельних та електричних побратимів. Це велика перевагаза умов гірської місцевості.

Недоліки

До недоліків належить, передусім, низький ККД. До цього варто додати громіздкість конструкції та тихохідність. Особливо це стало помітно після появи двигуна внутрішнього згоряння.

Застосування

Хто винайшов парову машину, вже відомо. Залишилось дізнатися, де їх застосовували. До середини ХХ століття парові машини застосовували у промисловості. Також їх використовували для залізничного та парового транспорту.

Заводи, які експлуатували парові двигуни:

• цукрові;
• сірникові;
• паперові заводи;
• текстильні;
• харчові підприємства (в окремих випадках).

Парові турбіни також належать до цього обладнання. З їхньою допомогою досі працюють генератори електроенергії. Близько 80% світової електроенергії виробляється із застосуванням парових турбін.

Свого часу були створені різні видитранспорту, що працюють на паровому двигуні. Дехто не прижився через невирішені проблеми, а інші продовжують працювати і в наші дні.

Транспорт із паровим двигуном:

• автомобіль;
• трактор;
• екскаватор;
• літак;
• локомотив;
• судно;
• тягач.

Такою є історія винаходу парових машин. Коротко можна розглянути вдалий приклад про гоночному автомобіліСерполь, створений у 1902 році. На ньому було встановлено світовий рекорд за швидкістю, який становив 120 км на годину на суші. Саме тому парові автобули конкурентоспроможними по відношенню до електричних та бензинових аналогів.

Так було в США 1900 року найбільше було випущено парових машин. Вони зустрічалися на дорогах до 30-х років ХХ століття.

Більшість подібного транспорту стала непопулярною після появи двигуна внутрішнього згоряння, чий ККД значно вищий. Такі машини були економічнішими, при цьому легкими та швидкісними.

Стімпанк як віяння епохи парових машин

Говорячи про парові машини, хочеться згадати про популярний напрям - стімпанку. Термін складається з двох англійських слів- «пар» та «протест». Стимпанк - це вид наукової фантастики, яка розповідає про другу половину ХІХ століття у вікторіанській Англії. Цей період історія часто згадується як Епоха пара.

Усі твори мають одну відмінну особливість- вони розповідають про життя другої половини ХІХ століття, стиль розповіді у своїй нагадує роман Герберта Уеллса «Машина часу». У сюжетах описуються міські краєвиди, громадські будівлі, техніка. Особливе місце приділяється дирижаблям, старовинним машинам, химерним винаходам Усі металеві деталі кріпилися за допомогою клепок, оскільки зварювання ще не застосовували.

Термін «стімпанк» виник 1987 року. Його популярність пов'язана з появою роману. Різнисна машина». Написаний він був у 1990 році Вільямом Гібсоном та Брюсом Стерлінгом.

На початку XXI століття у цьому напрямі було випущено кілька відомих кінофільмів:

• "Машина часу";
• Ліга видатних джентльменів;
• "Ван хельсінг".

До предтеч стимпанка можна віднести твори Жюля Верна та Григорія Адамова. Інтерес до цього напряму іноді проявляється у всіх сферах життя - від кінематографа до повсякденного одягу.