Паровая машина

Паровая машина - тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина - любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.

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

Изобретение и развитие

двигатель паровой уатт мануфактура

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, турецким астрономом, физиком и инженером XVI века Такиюддином аш-Шами. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.

Однако дальнейшее развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики двигателей могли бы воспользоваться их результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения. Первая машина была создана испанским изобретателем Иеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т. Севери. Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 году англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 году он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в 19-м столетии). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной. Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-х в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 году создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала только как демонстрационная модель: для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла, проложив таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. Однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил. Папен также проектировал лодку, приводимую в движение колесом с реактивной силой в комбинации концепций Таки ад-Дина и Севери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.

Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была "пожарная установка", сконструированная английским военным инженером Томасом Севери в 1698 году. На своё устройство Севери в 1698 году получил патент. Это был поршневой паровой насос, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы двигателя иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его "другом рудокопа".

Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой "атмосферный двигатель". Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Именно насос Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение.

В 1781 году Джеймс Уатт запатентовал паровую машину, которая производила непрерывное вращательное движение вала (в отличие от парового насоса Ньюкомена). Двигатель Уатта, мощностью десять лошадиных сил, стало возможным, при наличии каменного угля и воды, установить и использовать в любом месте для любой цели. С двигателем Уатта принято связывать начало промышленной революции в Англии.

Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И.И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.

Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления (американец Оливер Эванс и англичанин Ричард Тревитик). Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как "корнуэльские двигатели". Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм, или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования.

Французский изобретатель Николя-Жозеф Кюньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: "fardier а vapeur" (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7--8 узлов. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в городе Мертир-Тидвил в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком.

Интерес к водяному пару, как доступному источнику энергии, появился вместе с первыми научными познаниями древних. Приручить эту энергию люди пытались на протяжении трёх тысячелетий. Каковы основные этапы этого пути? Чьи размышления и проекты научили человечество извлекать из него максимальную пользу?

Предпосылки появления паровых двигателей

Потребность в механизмах, способных облегчить трудоёмкие процессы, существовала всегда. Примерно до середины XVIII века для этой цели использовались ветряные мельницы и водяные колеса. Возможность использования энергии ветра напрямую зависит от капризов погоды. А для использования водяных колёс фабрики приходилось строить по берегам рек, что не всегда удобно и целесообразно. Да и эффективность тех и других была чрезвычайно мала. Нужен был принципиально новый двигатель, легко управляемый и лишённый этих недостатков.

История изобретения и совершенствования паровых двигателей

Создание парового двигателя - результат долгих размышлений, удач и крушений надежд множества учёных.

Начало пути

Первые, единичные проекты были лишь интересными диковинками. Например, Архимед сконструировал паровую пушку, Герон Александрийский использовал энергию пара для открывания дверей античных храмов. А заметки о практическом применении энергии пара для приведения в действие иных механизмов исследователи находят в трудах Леонардо да Винчи.

Рассмотрим наиболее значительные проекты по этой тематике.

В XVI веке арабский инженер Таги аль Дин разработал проект примитивной паровой турбины. Однако практического применения она не получила из-за сильного рассеяния струи пара, подаваемой на лопасти колеса турбины.

Перенесемся в средневековую Францию. Физик и талантливый изобретатель Дени Папен после многих неудачных проектов останавливается на следующей конструкции: вертикальный цилиндр заполняли водой, над которой устанавливали поршень.

Цилиндр нагревали, вода закипала и испарялась. Расширяющийся пар приподнимал поршень. Его закрепляли в верхней точке подъёма и ожидали остывания цилиндра и конденсации пара. После конденсации пара в цилиндре образовывался вакуум. Освобожденный от крепления поршень под действием атмосферного давления устремлялся в вакуум. Именно это падение поршня предполагалось использовать как рабочий ход.

Итак, полезный ход поршня был вызван образованием вакуума из-за конденсации пара и внешним (атмосферным) давлением.

Потому паровой двигатель Папена как и большинство последующих проектов получили название пароатмосферных машин.

Эта конструкция обладала весьма существенным недостатком - не была предусмотрена повторяемость цикла. Дени приходит к идее получать пар не в цилиндре, а отдельно в паровом котле.

В историю создания паровых двигателей Дени Папен вошел как изобретатель весьма важной детали - парового котла.

А поскольку пар стали получать вне цилиндра, сам двигатель перешел в разряд двигателей внешнего сгорания. Но из-за отсутствия распределительного механизма, обеспечивающего бесперебойную работу, эти проекты почти не нашли практического применения.

Новый этап в разработке паровых двигателей

Около 50 лет для откачки воды в угольных шахтах использовался паровой насос Томаса Ньюкомена. Он во многом повторял предыдущие конструкции, но содержал весьма важные новинки - трубу для вывода сконденсированного пара и предохранительный клапан для выпуска излишнего пара.

Его существенным минусом было то, что цилиндр приходилось то нагревать перед впрыскиванием пара, то охлаждать перед его конденсацией. Но потребность в таких двигателях была столь высока, что, несмотря на их очевидную неэкономичность, последние экземпляры этих машин прослужили вплоть до 1930 года.

В 1765 году английский механик Джеймс Уатт, занявшись усовершенствованием машины Ньюкомена, отделил конденсатор от парового цилиндра.

Появилась возможность цилиндр держать постоянно нагретым. КПД машины сразу вырос. В последующие годы Уатт значительно усовершенствует свою модель, оснастив её устройством для подачи пара то с одной, то с другой стороны.

Стало возможным использовать эту машину не только как насос, но и для приведения в действие различных станков. Уатт получил патент на свое изобретение - паровой двигатель непрерывного действия. Начинается массовый выпуск этих машин.

К началу XIX века в Англии работало более 320 паровых машин Уатта. Их стали закупать и другие европейские страны. Это способствовало значительному росту промышленного производства во многих отраслях как самой Англии, так соседних государств.

Двадцатью годами ранее Уатта, в России над проектом паровой машины работал алтайский механик Иван Иванович Ползунов.

Заводское начальство предложило ему построить агрегат, который приводил бы в действие воздуходувку плавильной печи.

Построенная им машина была двухцилиндровой и обеспечивала непрерывное действие подсоединённого к ней устройства.

Успешно проработав более полутора месяцев, котёл дал течь. Самого Ползунова к этому времени уже не было в живых. Ремонтировать машину не стали. И замечательное творение русского изобретателя-одиночки было забыто.

В силу отсталости России того времени мир узнал об изобретении И. И. Ползунова с большим опозданием….

Итак, для приведения в действие паровой машины необходимо, чтобы пар, вырабатываемый паровым котлом, расширяясь, давил на поршень или на лопасти турбины. А затем их движение передавалось другим механическим частям.

Применение паровых машин на транспорте

Несмотря на то, что КПД паровых двигателей того времени не превышал 5%, к концу XVIII века их стали активно использовать в сельском хозяйстве и на транспорте:

• во Франции появляется автомобиль с паровым двигателем;
• в США начинает курсировать пароход между городами Филадельфия и Берлингтон;
• в Англии продемонстрирован железнодорожный локомотив на паровой тяге;
• российский крестьянин из Саратовской губернии запатентовал построенный им гусеничный трактор мощностью 20 л. с.;
• неоднократно предпринимались попытки построить самолёт с паровым двигателем, но, к сожалению, малая мощность этих агрегатов при большом весе самолёта делала эти попытки неудачными.

Уже к концу XIX столетия паровые двигатели, сыграв свою роль в техническом прогрессе общества, уступают место и электродвигателям.

Паровые устройства в XXI веке

С появлением новых источников энергии в XX и XXI веке снова появляется потребность в использовании энергии пара. Паровые турбины становятся неотъемлемой частью АЭС. Пар, приводящий их в действие, получают за счёт ядерного топлива.

Широко используются эти турбины и на конденсационных тепловых электростанциях.

В ряде стран проводятся эксперименты по получению пара за счёт солнечной энергии.

Не забыты и поршневые паровые двигатели. В горных местностях в качестве локомотива до сих пор используют паровозы.

Эти надёжные труженики и безопаснее, и дешевле. Линии электропередач им не нужны, а топливо - древесина и дешёвые сорта угля всегда под рукой.

Современные технологии позволяют улавливать до 95% выбросов в атмосферу и повысить КПД до 21%, так, что люди решили пока с ними не расставаться и работают над паровыми локомотивами нового поколения.

Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя

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.

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.

Промышленность Англии нуждалась в большом количестве топлива, а леса становилось всё меньше. В связи с этим добыча каменного угля стала черезвычайно актуальна.
Основной проблемой добычи была вода, она затопляла шахты быстрее чем её успевали откачивать, приходилось бросать разработаные рудники и искать новые.
В силу этих причин, срочно требовались механизмы для откачки воды, вот ими то и стали первые паровые машины.

Следующим этапом развития паровых машин, было создание (в 1690 году ) поршневого парового двигателя, который совершал полезную работу за счёт нагревания и конденсации пара.

Родился во французском городе Блуа в 1647 году. В Университете Анже он изучал медицину и получил степень доктора, но врачом не стал. Во многом его судьбу предопределила встреча с голландским физиком Х. Гюйгенсом, под влиянием которого Папен начал изучать физику и механику. В 1688 году он опубликовал описание (со своими конструктивными дополнениями) представленного Гюйгенсом в Парижскую академию наук проекта порохового двигателя в форме цилиндра с поршнем.
Папен также предложил конструкцию центробежного насоса, сконструировал печь для плавки стекла, паровую повозку и подводную лодку, изобрёл скороварку и несколько машин для подъёма воды.

Первая в мире скороварка:

В 1685 Папен был вынужден бежать из Франций (из-за гонений на гугенотов) в Германию и продолжал там работать над своей машиной.
В 1704 году, на заводе «Veckerhagen», он отлил первый в мире цилиндр для паровой машины и в том же году построил катер на паровой тяге.

Первая «машина» Дени Папена (1690 год)

Вода в цилиндре при нагревании превращалась в пар и двигала поршень вверх, а при охлаждении (пар конденсировался) создавалось разрежение и атмосферное давление двигало поршень вниз.

Чтобы заставить машину работать, необходимо было манипулировать стержнем-клапаном и стопором, перемещать источник пламени и охлаждать цилиндр водой.

В 1705 году Папен разработал второй паровой двигатель

При открытии крана (D), пар из котла (справа) устремлялся в среднюю ёмкость и по средствам поршня продавливал воду в ёмкость слева. После чего кран (D) закрывался, открывался краны (G) и (L) в воронку доливали воду и средняя ёмкость заполнялась новой порцией, краны (G) и (L) закрывали и повторяли цикл. Тем самым удавалась поднять воду на высоту.

В 1707 году, Папен приехал в Лондон с целью получить патент на свои работы 1690-го года. Работы не были признаны, так как к тому времени уже появились машины Томаса Севери и Томаса Ньюкомена (см. ниже).

В 1712 году Дени Папен умер обездоленным и похоронен в безымянной могиле.

Первые паровые машины представляли из себя громоздкие стационарные насосы для перекачки воды. Это объяснялось тем, что нужно было откачивать воду из рудников и угольных шахт. Чем глубже были шахты, тем труднее было откачивать из них пребывающую воду, в итоге не выработаные шахты приходилось бросать и переходить на новое место.

В 1699 году , английский инженер , получил патент на изобретение «огневого двигателя», предназначенного для откачивания воды из рудников.
Машина Севери - это паровой насос, а не двигатель, в нем не было цилиндра с поршнем.

Главной изюминкой в машине Севери было то, что пар образовывался в отдельном котле .

Справка

Машина Томаса Севери

При открытии крана 5 пар из котла 2 подавался в сосуд 1, выгоняя оттуда воду по трубке 6. Клапан 10 при этом открыт, а клапан 11 закрыт. В конце нагнетания кран 5 закрывался, и через кран 9 в сосуд 1 подавалась холодная вода. Пар в сосуде 1 охлаждался, конденсировался, и давление падало, засасывая туда воду по трубке 12. Клапан 11 при этом открывался, а клапан 10 закрывался.

Насос Севери был маломощным, потреблял много топлива и работал прерывисто. В силу этих причин, машина Севери не получила широкого распространения и ей на смену пришли «поршневые паровые машины».

В 1705 году совместив идеи Севери (отдельно стоящий котёл) и Папена (цилиндр с поршнем) построил поршневой паровой насос для работы на рудниках.
Опыты по совершенствованию машины продолжались около десяти лет, пока она не начала исправно работать.

О Томасе Ньюкомене

Родился 28 февраля 1663 в Дартмуте. Кузнец по профессии. В 1705 году совместно с лудильщиком Дж. Коули построил паровой насос. Эта довольно эффективная для своего времени паро-атмосферная машина использовалась для откачки воды в шахтах и получила широкое распространение в XVIII веке. Такую технологию, в наше время используют бетононасосы на стройках.
Ньюкомен не смог получить патент, так как паровой водоподъёмник был запатентован ещё в 1699 году Т. Севери. Паровая машина Ньюкомена не была универсальным двигателем и могла работать только как насос. Попытки Ньюкомена использовать возвратно-поступательное движение поршня для вращения гребного колеса на судах оказались неудачными.

Скончался 7 августа 1729 года в Лондоне. Имя Ньюкомена носит «Общество историков техники Великобритании».

Машина Томаса Ньюкомэна

Вначале пар поднимал поршень, затем в цилиндр впрыскивалось немного холодной воды, пар кондесировался (образовывая тем самым разряжение в цилиндре) и поршень под влиянием атмосферного давления опускался.

В отличии от «цилиндра Папена» (у которого цилиндр служил котлом), в машине Ньюкомена цилиндр был отделён от котла. Таким образом удалось добиться более или менее равномерной работы.
В первых версиях машины, управление клапанами было ручным, но в последствии Ньюкомэн придумал механизм, автоматически открывающий и закрывающий в нужный момент соответствующие краны.

Фото

О цилиндрах

Первые цилиндры ньюкоменовской машины делались из меди, трубы - из свинца, а коромысло было деревянным. Мелкие части делались из ковкого железа. Более поздние машины Ньюкомена, примерно после 1718 года, имели уже чугунный цилинр.
Изготовляли цилиндры на литейном заводе Абрахама Дерби в Колбрукдэле. Дэрби усовершенствовал технику литья и это позволило получать цилиндры достаточно хорошего качества. Для получения более или менее правильной и гладкой поверхности стенок цилиндра, использовался станок для высверливания дула орудий.

Как-то так:

С некоторыми доработками, машины Ньюкомена на протяжении 50 лет оставались единственными механизмами, пригодными для промышленного использования.

В 1720 году описал двухцилиндровую паровую машину. Изобретение было опубликовано в его главной работе "Theatri Machinarum Hydraulicarum ". Эта рукопись была первым систематическим анализом машиностроения.

Машина предложенная Якобом Леопольдом

Предполагалось что поршни сделаные из свинца, будут подниматься давлением пара, а опускаться под собственным весом. Любопытна идея крана (между цилиндрами), с его помощью пар впускался в один цилиндр и одновременно выпускался из другого.
Якоб не строил эту машину, он только её придумал.

В 1766 году русский изобретатель , работая механиком на алтайских горнорудных и металургических заводах, создал первую в России и первую в мире двухцилиндровую паровую машину.
Ползунов модернизировал машину Ньюкомена (для обеспечения непрерывной работы он задействовал два цилиндра, вместо одного) и предложил использовать её для привидения в движение мехов плавильных печей.

Грустная справка

В России того времени, паровые машины практически не использовались и всю информацию Ползунов получил из книги “Обстоятельное наставление рудному делу” (1760) за авторством Шлаттера И.А., в которой описывалась паровая машина Ньюкомена.

О проекте было доложено императрице Екатерине Второй. Она одобрила его, распорядилась произвести И.И.Ползунова в «механикусы с чином и званием инженерного капитан-поручика» и наградить 400 рублями…
Ползунов предлагал построить вначале небольшую машину, на которой можно было бы выявить и устранить все недостатки, неизбежные в новом изобретении. Заводское начальство с этим не согласилось и решило строить сразу огромную машину. В апреле 1764 г. Ползунов приступил к строительству.
Весной 1766 года, строительство в основном было закончено и проведены испытания.
Но 27 мая Ползунов умер от чахотки.
Его ученики Левзин и Черницын одни приступили к последним испытаниям паровой машины. В «Дневной записке» от 4 июля было отмечено «исправное машинное действие», а 7 августа 1766 г. вся установка, паровая машина и мощная воздуходувка, была сдана в эксплуатацию. Всего за три месяца работы машина Ползунова не только оправдала все затраты на её постройку в сумме 7233 рублей 55 копеек, но и дала чистую прибыль в 12640 рублей 28 копеек. Однако, 10 ноября 1766 г. после того, как у машины перегорел котел, она простояла без действия 15 лет 5 месяцев и 10 дней. В 1782 г. машина была разобрана.

(Энциклопедия Алтайского края. Барнаул. 1996. Т. 2. С. 281-282; Барнаул. Летопись города. Барнаул. 1994. ч. 1.с.30).

Машина Ползунова

Принцип работы аналогичен машине Ньюкомена.
В один из цилиндров наполненных паром, впрыскивали воду, пар конденсировался и в цилиндре создавалось разряжение, под действием атмосферного давления поршень опускался вниз, в тот же момент в другой цилиндр поступал пар и он поднимался.

Подача воды и пара в цилиндры была полностью автоматизирована.

Макет паровой машины И.И. Ползунова, сделанный по оригинальным чертежам в 1820-е годы.
Краеведческий музей Барнаула.

В 1765 году Джеимсу Уатту работающему механиком в университете Глазго, было поручено отремонтировать модель машины Ньюкомена. Неизвестно, кто её сделал, но в университете она находилась уже несколько лет.
Проффесор Джон Андерсон предложил Уатту посмотреть, нельзя ли что-нибудь сделать с этим любопытным, но капризным прибором.
Уатт не только отремонтировал, но и усовершенствовал машину. Он добавил к ней отдельную ёмкость для охлаждения пара и назвал её конденсатор.

Модель паровой машины Ньюкомена

Макет был оснащен цилиндром (диаметр 5 см) с рабочим ходом 15 см. Уатт провел ряд экспериментов, в частности заменил металлический цилиндр на деревянный, смазанный льняным маслом и высушенный в печи, уменьшил количество поднимаемой за один цикл воды и макет заработал.
В процессе экспериментов Уатт убедился в неэффективности машины.
При каждом новом цикле часть энергии пара уходила на нагрев цилиндра, который охлаждался после впрыскивания воды для охлаждения пара.
Проведя ряд опытов Уатт пришёл к выводу:
«…Для того чтобы сделать совершенную паровую машину, необходимо, чтобы цилиндр был всегда горяч, как и входящий в него пар; но с другой стороны, конденсация пара для образования вакуума должна была происходить при температуре не выше 30 градусов Реомюра» (38 по Цельсию)…

Модель машины Ньюкомена, с которой экспериментировал Уатт

Как всё начиналось...

Впервые Уатт заинтересовался паром в 1759 году, этому поспособствовал его приятель Робисон, который носился тогда с мыслью «о применении силы паровой машины для приведения в движение повозок».
В том же году Робисон уехал воевать в Северную Америку, а Уатт и без этого был завален делами.
Спустя два года Уатт вернулся к идее паровых машин.

«Около 1761–1762 гг., - пишет Уатт, - я проделал несколько опытов над силой пара в Папеновом котле и сделал нечто вроде паровой машины, укрепив на нем спринцовку, диаметром около 1/8 дюйма, с прочным поршнем, снабженную краном для впуска пара из котла, а также для выпуска его из спринцовки на воздух». Когда открывался кран из котла в цилиндр, то пар, поступая в цилиндр и действуя на поршень, поднимал значительный груз (15 фунтов), которым был нагружен поршень. Когда груз был поднят до нужной высоты, то сообщение с котлом закрывалось и открывался кран для выпуска пара в атмосферу. Пар выходил, и груз опускался. Эта операция повторялась несколько раз, и хотя в данном приборе кран поворачивался от руки, однако, не трудно было придумать приспособление, чтобы поворачивать его автоматически.

А - цилиндр; В - поршень; С - шток с крюком для подвешивания груза; D - наружный цилиндр (кожух); Е и G - паровпускные отверстия; F - трубка, соединяющая цилиндр с конденсатором; К - конденсатор; Р - насос; R - резервуар; V - клапан для выхода воздуха, вытесняемого паром; К, Р, R - заполнены водой. Пар впускается через G в пространство между А и D и через Е в цилиндр А. При небольшом подъеме поршня в цилиндре насоса Р (поршень не изображен на рисунке) уровень воды в К понижается и пар из А переходит в К и тут осаждается. В А получается разрежение, и пар, находящийся между А и D, давит на поршень В и поднимает его вместе с подвешенным к нему грузом.

Основная идея, отличающая машину Уатта от машины Ньюкомена, заключалась в изолированной камере для конденсации (охлаждения пара).

Наглядное изображение:

В машине Уатта конденсатор «С» был отделён от рабочего цилиндра «Р» его не нужно было постоянно нагревать и охлаждать, благодаря этому удалось немного увеличить КПД.

В 1769-1770 годах на шахте горнозаводчика Джона Робака (Робак интересовался паровыми машинами и некоторое время финансировал Уатта), была построена большая модель машины Уатта, на которую он получил в 1769 году свой первый патент.

Суть патента

Уатт определил свое изобретение как «новый метод уменьшения расхода пара, а следовательно, и топлива в огненных машинах».
В патенте (№ 013) излагался ряд новых технич. положений, использованных Уаттом в своём двигателе:
1) Поддержание температуры стенок цилиндра равной, температуре поступающего в него пара за счёт тепловой изоляции, паровой рубашки
и отсутствия контакта с холодными телами.
2) Конденсация пара в отдельном сосуде - конденсаторе, температура в к-ром должна была поддерживаться на уровне окружающей среды.
3) Удаление из конденсатора воздуха и других неконденсирующихся тел посредством насосов.
4) Применение избыточного давления пара; в случаях недостатка воды для конденсации пара применение только избыточного давления с выхлопом в атмосферу.
5) Применение «коловратных» машин с однонаправленно вращающимся поршнем.
6) Работа с неполной конденсацией (т. е. с ухудшенным вакуумом). В этом же пункте патента описаны конструкции уплотнения поршня и отдельных деталей. При применявшихся в то время давлениях пара в 1 атм введение отдельного конденсатора и откачка воздуха из него означали реальную возможность снижения расхода пара и топлива более чем вдвое.

Спустя некоторое время Робак обанкротился и новым компаньоном Уатта стал английский промышленник Мэттью Болтон .
После ликвидации соглашения Уатта с Робаком, построенная машина была разобрана и отправлена в на завод Болтона в Сохо. На ней Уатт в течение долгого времени проверял почти все свои усовершенствования и изобретения.

О Мэттью Болтоне

Если Робак видел в уаттовской машине прежде всего лишь усовершенствованный насос, который должен был спасти его шахты от затопления, то Болтон в изобретениях Уатта видел новый вид двигателя, который должен был заменить водяное колесо.
Болтон сам пытался внести усовершенствования в машину Ньюкомена, чтобы уменьшить расход топлива. Он сделал модель, которая вызывала восторг у многочисленных лондонских великосветских друзей и покровителей. Болтон вел переписку с американским ученым и дипломатом Бенджамином Франклином о том, как лучше впрыскивать в цилиндр охлаждающую воду, о наилучшей системе клапанов. Франклин в этой области ничего толкового посоветовать не мог, но обратил внимание на другой способ достижения экономии топлива, на лучшее его сжигание и уничтожение дыма.
Болтон мечтал не о чем ином, как о мировой монополии производства новых машин. «Моей мыслью было, - писал Болтон Уатту, - устроить рядом с моим заводом, предприятие, где я сосредоточил бы все технические средства, необходимые для постройки машин, и откуда мы снабжали бы весь мир машинами любых размеров».

Болтон ясно отдавал себе отчет в том, какие для этого нужны предпосылки. Новая машина не может строиться старыми кустарными способами. «Я предполагал, - писал он Уатту, - что ваша машина потребует денег, очень точной работы и обширных связей, чтобы наивыгоднейшим образом пустить ее в оборот. Наилучший способ поддержать ее репутацию и отдать должное изобретению - это изъять ее производство из рук множества техников, которые по своему невежеству, недостатку опыта и технических средств, стали бы давать плохую работу, а это отразилось бы и на репутации изобретения».
Чтобы избежать этого, он предлагал строить специальный завод, где «при вашем содействии мы могли бы привлечь и обучить известное количество превосходных рабочих, которые, снабженные наилучшим инструментом, могли бы выполнить это изобретение на двадцать процентов дешевле и со столь же большой разницей в точности работы, какая существует между работой кузнеца и мастера математических инструментов».
Кадры высококвалифицированных рабочих, новое техническое оборудование - вот что требовалось для постройки машины в массовом масштабе. Болтон уже мыслил категориями и понятиями развитого капитализма XIX века. Но пока это были еще мечты. Не Болтоном и Уаттом, а их сыновьями было организовано лет тридцать спустя массовое производство машин - первый машиностроительный завод.

Болтон и Уатт обсуждают производство паровых машин на заводе в Сохо

Очередным этапом развития паровых машин, была герметизация верхней части цилиндра и подача пара не только в нижнюю, но и в верхнюю часть цилиндра.

Так Уаттом и Болтоном, была построена паровая машина двойного действия .

Теперь пар подавался попеременно в обе полости цилиндра. Стенки цилиндра были теплоизолированы от внешней среды.

Машина Уатта хоть и стала эффективнее машины Ньюкомена, но КПД, всё ещё был черезвычайно низок (1-2%).

Как Уатт и Болтон строили и PRили свои машины

О технологичности и культуре производства в 18 веке и речи быть не могло. Письма Уатта к Болтону наполнены жалобами на пьянство, воровство и леность рабочих. «Мы можем очень мало рассчитывать на наших рабочих в Сохо, - писал он Болтону. - Джемс Тейлор начал сильнее пить. Он упрям, своенравен и недоволен. Машина, над которой работал Картрайт, - сплошной ряд ошибок и промахов. Смит и остальные невежественны, и за всеми ими нужно ежедневно присматривать, чтобы не вышло чего-либо худшего».
Он требовал от Болтона принятия строгих мер и вообще был склонен прекратить производство машин в Сохо. «Всем лентяям нужно сказать, - писал он, - что если они будут так же невнимательны, как до сих пор, то их прогонят с завода. Расходы по постройке машины в Сохо, обходятся нам очень дорого, и если нельзя улучшить производство, то нужно его совсем прекратить и раздавать работу на сторону».

Изготовление деталей для машин, требовало надлежащего оборудывания. Поэтому разные узлы машин производились на разных заводах.
Так, на заводе Уилкинсона отливали и растачивали цилиндры, там же делали днища цилиндров, поршень, воздушный насос и конденсатор. Чугунный кожух для цилиндра отливали на одном из литейных заводов в Бирмингеме, медные трубы везли из Лондона, а небольшие детали производили на месте постройки машины. Все эти части фирма «Болтон и Уатт» заказывала за счет заказчика - владельца рудника или мельницы.
Постепенно отдельные части привозились на место и собирались под личным контролем Уатта. Позже он составил подробную инструкцию по сборке машины. Котел обычно клепался на месте местными кузнецами.

После успешного запуска машины для откачки воды на одном из рудников в Корнуолле (считался труднейшим рудником), компания «Болтон и Уатт» получила много заказов. Хозяева рудников увидели, что машина Уатта успешно справляется там, где была бессильна машина Ньюкомена. И они немедленно начали заказывать уаттовские насосы.
Уатт был завален работой. Он неделями сидел над своими чертежами, ездил на установки машин, - нигде нельзя было обойтись без его помощи и наблюдения. Он был один и всюду должен был поспевать.

Чтобы паровая машина могла приводить в действие другие механизмы, нужно было возвратно-поступательные движения преобразовать во вращательные, а для равномерного движения приспособить колесо в качестве маховика.

В первую очередь нужно было жёстко связать поршень и балансир (до этого момента использовались цепь или верёвка).
Уатт предполагал осуществлять передачу от поршня к балансиру с помощью зубчатой полосы, а на балансире поместить зубчатый сектор.

Зубчатый сектор

Эта система оказалась ненадёжной и Уатт был вынужден от неё отказаться

Передачу вращательного момента планировалось усуществить с помощью кривошипного механизма.

Кривошипный механизм

Но от кривошипа пришлось отказаться так как эта система уже была запатентована (в 1780 году) Джеимсом Пикардом . Пикард предложил Уатту кросс-лицензирование, но Уатт отказался от этого предложения и использовал в своей машине планетарную передачу. (про патенты есть неясности, в конце статьи можно почитать)

Планетарная передача

Двигатель Уатта (1788)

При создании машины с непрерывным вращательным движением, Уатту пришлось решать ряд нетривиальных задач (распределение пара по двум полостям цилиндра, автоматическая регулировка оборотов и прямолинейное движение штока поршня).

Параллелограмм Уатта

Механизм Уатта был изобретён для придания тяге поршня прямолинейного движения.

Паровой двигатель построенный по патенту Джеймса Уатта в 1848 году в Фрайберге в Германии.

Центробежный регулятор

Принцип действия центробежного регулятора простой, чем быстрее крутится вал, тем выше расходятся грузы под действием центробежной силы и тем сильнее перекрывается паропровод. Грузы опускаются - паропровод открывается.
Похожая система, давно уже была известена в мукомольном деле для регулирования расстояния между жерновами.
Уатт адаптировал регулятор для паровой машины.

Устройство парораспределения

Система «поршневых клапанов»

Чертеж составлен одним из помощников Уатта в 1783 году (буквы поставлены для пояснения). В и В - поршни, соединенные между собой трубкой С и двигающиеся в трубе D, соединенной с конденсатором Н и трубками Е и F с цилиндром A; G - паропровод; К - шток, служащий для передвижения ВВ.
В изображенном на чертеже положении поршней ВВ пространство трубы D между поршнями В и В, а также нижняя часть цилиндра А под поршнем (не изображенном на рисунке), примыкающая к F, заполнены паром, тогда как в верхней части цилиндра А, над поршнем, сообщающейся через Е и через С с конденсатором Н - состояние разрежения; при подъеме ВВ выше F и E нижняя часть А через F будет сообщаться с H, а верхняя часть через Е и D - с паропроводом.

Нагляный рисунок

Однако, вплоть до 1800 года Уатт продолжал пользоваться тарелочными клапанами (металлические диски, поднимавшиеся или опускавшиеся над соответствующими окнами, и приводившиеся в движение сложной системой рычагов), так как изготовление системы «поршневых клапанов» требовало высокой точности.

Разработкой механизма парораспределения занимался в основном помошник Уатта Уильям Мердок .

Мердок, продолжал совершенствовать механизм парораспределения и в 1799 году запатентовал D - образный золотник (коробчатый золотник).

В зависимости от положения золотника, окна (4) и (5) сообщаются с замкнутым пространством (6) окружающим золотник и заполненным паром, или с полостью 7, соединённой с атмосферой или конденсатором.

После всех усовершенствований была построенна вот такая машина:

Пар с помощью парораспределителя, попеременно подавался в разные полости цилиндра, а центробежный регулятор управлял клапаном подачи пара (если машина слишком разгонялась клапан прикрывался и наоборот открывался если слишком замедлялась).

Наглядное видео

Эта машина уже могла работать не только как насос, но и приводить в действие другие механизмы.

В 1784 году Уатт получил патент на универсальный по применению паровой двигатель (патент № 1432).

Про мельницу

В 1986 году Болтон и Уатт построили в Лондоне мельницу («Мельница Альбиона»), приводимую в действие паровой машиной. Когда мельницу пустили в ход, началось настоящее паломничество. Лондонцы живо интересовались техническими усовершенствованиями.

Уатт, не знакомый с маркетингом, возмущался тем, что зеваки мешают ему работать и требовал прекращения доступа посторонних. Болтон же считал что, о машине должны узнать как можно больше людей и поэтому отвергал просьбы Уатта.
Вобщем недостатка в клиентах Болтон и Уатт не испытывали. В 1791 году мельница сгорела (а может её подожгли, так как мукомолы боялись конкуренции).

В конце восьмидесятых годов, Уатт прекращает совершенствовать свою машину. В письмах Болтону он пишет:
«Очень возможно, что за исключением некоторых улучшений в механизме машины ничего лучшего, чем то, что мы уже произвели, не будет допущено природой, которая для большинства вещей предопределила свой nec plus ultra (лат. «дальше некуда»)».
И позднее, Уатт утверждал, что не может открыть в паровой машине ничего нового, и если он занимается ею, то только усовершенствованием деталей и проверкой своих прежних выводов и наблюдений.

Список русской литературы

Каменский А.В. Джемс Уатт, его жизнь и научно-практическая деятельность. СПб, 1891
Вайсенберг Л.М. Джемс Уатт, изобретатель паровой машины. М. – Л., 1930
Лесников М.П. Джемс Уатт. М., 1935
Конфедератов И.Я. Джемс Уатт – изобретатель паровой машины. М., 1969

Таким образом, можно считать, что первый этап развития паровых машин закончился.

Дальнейшее развитие паровых машин было связано с увеличением давления пара и совершенствованием производства.

Цитата из БСЭ

Универсальный двигатель Уатта благодаря его экономичности получил широкое распространение и сыграл большую роль в переходе к капиталистическому машинному производству. «Великий гений Уатта,- писал К. Маркс,- обнаруживается в том, что патент, взятый им в апреле 1784 г., давая описание паровой машины, изображает её не как изобретение лишь для особых целей, но как универсальный двигатель крупной промышленности» (Маркс К., Капитал, т. 1,1955, стр. 383-384).

Завод Уатта и Болтона к 1800 году построил св. 250 паровых машин, а к 1826 в Англии насчитывалось до 1500 машин с общей мощностью ок. 80000 л.с. За редким исключением это были машины уаттовского типа. После 1784 года Уатт занимался главным образом улучшением производства, а после 1800 года и вовсе отошёл от дел.

Ранее эта статья публиковалась мной на geektimes

Все права защищены © 2015
Любое использование материалов допускается только с указанием активной ссылки на источник