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
Статья опубликована 19.05.2014 05:36 Последняя правка произведена 19.05.2014 05:58О истории развития парового двигателя, достаточно подробно описано в этой статье . Тут же - наиболее известные решения и изобретения времен 1672-1891 года.
Первые наработки.
Начнем с того, что еще в семнадцатом веке пар стали рассматривать как средство для привода, проводили с ним всяческие опыты, и лишь только в 1643 году Эванджелистом Торричелли было открыто силовое действие давления пара. Кристиан Гюйгенс через 47 лет спроектировал первую силовую машину, приводившуюся в действие взрывом пороха в цилиндре. Это был первый прототип двигателя внутреннего сгорания. На аналогичном принципе устроена водозаборная машина аббата Отфея. Вскоре Дени Папен решил заменить силу взрыва на менее мощную силу пара. В 1690 году им была построена первая паровая машина , известная также как паровой котел.
Она состояла из поршня, который с помощью кипящей воды перемещался в цилиндре вверх и за счет последующего охлаждения снова опускался – так создавалось усилие. Весь процесс происходил таким образом: под цилиндром, который выполнял одновременно и функцию кипятильного котла, размещали печь; при нахождении поршня в верхнем положении печь отодвигалась для облегчения охлаждения.
Позже два англичанина, Томас Ньюкомен и Коули – один кузнец, другой стекольщик, – усовершенствовали систему путем разделения кипятильного котла и цилиндра и добавления бака с холодной водой. Эта система функционировала с помощью клапанов или кранов – одного для пара и одного для воды, которые поочередно открывались и закрывались. Затем англичанин Бэйтон перестроил клапанное управление в подлинно тактовое.
Применение паровых машин на практике.
Машина Ньюкомена вскоре стала известна повсюду и, в частности, была усовершенствована, разработанной Джеймсом Уаттом в 1765 году системой двойного действия. Теперь паровая машина оказалась достаточно завершенной для использования в транспортных средствах, хотя из-за своих размеров лучше подходила для стационарных установок. Уатт предложил свои изобретения и в промышленности; он построил также машины для текстильных фабрик.
Первая паровая машина, используемая в качестве средства передвижения, был изобретена французом Николя Жозефом Куньо, инженером и военным стратегпм-любителем. В 1763 или 1765 году он создал автомобиль, который мог перевозить четырех пассажиров при средней скорости 3,5 и максимальной – 9,5 км/час. За первой попыткой последовала вторая – появился автомобиль для транспортировки орудий. Испытывался он, естественно, военными, но из-за невозможности продолжительной эксплуатации (непрерывный цикл работы новой машины не превышал 15 минут) изобретатель не получил поддержки властей и финансистов. Между тем в Англии совершенствовалась паровая машина. После нескольких безуспешных, базировавшихся на машине Уаттa попыток Мура, Вильяма Мердока и Вильяма Саймингтона, появилось рельсовое транспортное средство Ричарда Тревисика, созданное по заказу Уэльской угольной шахты. В мир пришел активный изобретатель: из подземных шахт он поднялся на землю и в 1802 году представил человечеству мощный легковой автомобиль, достигавший скорости 15 км/час на ровной местности и 6 км/час на подъеме.
Превью - увеличение по клику.
Приводимые в движение паром транспортные средства все чаще использовались и в США: Натан Рид в 1790 году удивил жителей Филадельфии своей моделью парового автомобиля . Однако еще больше прославился его соотечественник Оливер Эванс, который спустя четырнадцать лет изобрел автомобиль-амфибию. После наполеоновских войн, во время которых «автомобильные эксперименты» не проводились, вновь началась работа над изобретением и усовершенствованием паровой машины . В 1821 году ее можно было считать совершенной и достаточно надежной. С тех пор каждый шаг вперед в сфере приводимых в движение паром транспортных средств определенно способствовал развитию будущих автомобилей.
В 1825 году сэр Голдсуорт Гарни на участке длиной 171 км от Лондона до Бата организовал первую пассажирскую линию. При этом он использовал запатентованную им карету, имевшую паровой двигатель. Это стало началом эпохи скоростных дорожных экипажей, которые, однако, исчезли в Англии, но получили широкое распространение в Италии и во Франции. Подобные транспортные средства достигли наивысшего развития с появлением в 1873 году «Реверанса» Амедэ Балле весом 4500 кг и «Манселя» – более компактного, весившего чуть более 2500 кг и достигавшего скорости 35 км/час. Оба были предвестниками той техники исполнения, которая стала характерной для первых «настоящих» автомобилей. Несмотря на большую скорость кпд паровой машины был очень маленький. Болле был тем, кто запатентовал первую хорошо действующую систему рулевого управления, он так удачно расположил управляющие и контрольные элементы, что мы и сегодня это видим на приборном щитке.
Превью - увеличение по клику.
Несмотря на грандиозный прогресс в области создания двигателя внутреннего сгорания, сила пара все еще обеспечивала более равномерный и плавный ход машины и, следовательно, имела много сторонников. Как и Болле, который построил и другие легкие автомобили, например Rapide в 1881 году со скоростью движения 60 км/час, Nouvelle в 1873 году, которая имела переднюю ось с независимой подвеской колес, Леон Шевроле в период между 1887 и 1907 годами запустил несколько автомобилей с легким и компактным парогенератором, запатентованным им в 1889 году. Компания De Dion-Bouton, основанная в Париже в 1883 году, первые десять лет своего существования производила автомобили с паровым двигателями и добилась при этом значительного успеха – ее автомобили выиграли гонки Париж-Руан в 1894 году.
Превью - увеличение по клику.
Успехи компании Panhard et Levassor в использовании бензина привели, однако, к тому, что и De Dion перешел на двигатели внутреннего сгорания. Когда братья Болле стали управлять компанией своего отца, они сделали то же самое. Затем и компания Chevrolet перестроила свое производство. Автомобили с паровыми двигателями все быстрее и быстрее исчезали с горизонта, хотя в США они использовались еще до 1930 года. На этом самом моменте и прекратилось производство и изобретение паровых машин
История паровых двигателей своими истоками уходит в 1 век н.э., когда Герон Александрийский впервые описал эолипил. Более, чем 1500 лет спустя, в 1551 году османский ученый Такиюддин аш-шами описал примитивные турбины, приводимые в движение паром, а в 1629 году подобное открытие сделал Джованни Бранка. Эти устройства представляли собой паровые вертела для жарки или небольшие передаточные механизмы. В основном, такие конструкции использовали изобретатели для демонстрации мощи пара, и доказательства того, что ее не стоит недооценивать.
В 1700-х годах рудокопы столкнулись с серьезным испытанием — необходимостью выкачки воды из глубоких шахт. На помощь пришла та самая мощь пара. С помощью энергии пара удалось выкачать воду из шахт. Это применение раскрыло потенциальную силу пара и привело к изобретению парового двигателя. Паровые электростанции появились позже. Главный принцип, на котором работают паровые двигатели, заключается в “конденсации водяного пара для создания частичного вакуума”.
Томас Севери и первые промышленные двигатели
Томас Севери первым изобрел паровой насос в 1698 году, он предназначался для выкачки воды. Это изобретение часто называют «огненным двигателем» или двигателем для “подъема воды огнем”. Паровой насос, запатентованный Севери, работал путем кипячения воды до ее полного преобразования в пар. Затем каждая капелька пара подымалась в бак, а в емкости, где изначально была вода, образовывался вакуум. Этот вакуум использовался для выкачки воды с глубинных шахт. Но решение оказалось временным, так как энергии пара хватало только для выкачки воды с глубины в несколько метров. Еще одним недостатком этой конструкции было использование давления пара для выведения воды, всасываемой в бак. Давление было слишком высоким для котлов, что вызвало ряд сильных взрывов.
Машины низкого давления
Высокое потребление угля, свойственное паровым машинам Ньюкомена, сократилось благодаря инновациям Джеймса Ватта. Цилиндр машины низкого давления был оснащен термозащитой, отдельным конденсатором и водоотливным механизмом для конденсированной воды. Таким образом, потребление угля в машинах низкого давления было снижено более, чем на 50%.
Иван Ползунов и первая двухцилиндровая паровая машина
Первым в России паровую машину изобрел Иван Ползунов. Его двухцилиндровая паровая машина была более мощной, чем английские двигатели без наддува. Они достигали мощности 24 кВт. Модель двухцилиндровой паровой машины Ползунова выставлена в музее Барнаула.
Паровая машина Томаса Ньюкомена
В 1712 году Томас Ньюкомен изобрел очень удачную с практической точки зрения паровую машину. Его модель состояла из пистона или цилиндра, который приводил в движение огромную деревянную колоду для запуска водяного насоса. Обратный ход в машине действовал за счет гравитации, которая толкала вниз конец колоды со стороны насоса. Машина Ньюкомена активно использовалась на протяжении 50 лет. Затем ее признали неэффективной, поскольку для активного функционирования требовалось очень много энергии. Нужно было подогревать цилиндр, так как он постоянно остывал, в результате чего сжигалось очень много топлива.
Усовершенствования Джеймса Ватта
Джеймс Ватт совершил настоящую революцию в истории развития паровых машин, внедрив в исходную конструкцию отдельный конденсатор. Он ввел это новшество в 1765 году. Но только спустя 11 лет удалось достичь конструкции, которую можно было бы применять в промышленных масштабах. Самая большая проблема в реализации задумки Ватта состояла в технологии создания огромного пистона для сохранения нужного количества вакуума. Но вскоре технология достигла большого прогресса, и как только патент получил достаточное финансирование, паровая машина Ватта начала активно использоваться на железных дорогах и кораблях. В США более 60 000 автомобилей работали на паровых двигателях с 1897 по 1927 годы.
Машины высокого давления
В 1800 году Ричард Тревитик изобрел паровые машины высокого давления. По сравнению со всеми ранее изобретенными конструкциями паровых машин этот вариант был наиболее мощным. Но по-настоящему успешной стала конструкция, предложенная Оливером Эвансом. В ее основе лежала идея приведения двигателя в движения паром, а не конденсирование пара для создания вакуума. Эванс изобрел первую паровую машину без конденсации, работающую под высоким давлением, в 1805 году. Машина была стационарной и развивала 30 оборотов в минуту. Эта машина первоначально использовалась для приведения в движение пилы. Такие машины поддерживались огромными резервуарами с водой, которая грелась источником тепла, помещенного непосредственно под резервуаром, что позволяло эффективно вырабатывать нужное количество пара.
Вскоре эти паровые машины получили широкое применение в моторных лодках и на железных дорогах, в 1802 и 1829 годах соответственно. Почти полвека спустя появились первые паровые автомобили. Чарлз Алджернон Парсонс в 1880 году изобрел первую паровую турбину. К началу 20 века, паровые двигатели широко использовались в автомобиле- и кораблестроении.
Корнуэльские паровые двигатели
Ричард Треветик попытался усовершенствовать паровой насос, изобретенный Ваттом. Он был видоизменен для использования в корнуэльских котлах, изобретенных Треветиком. Эффективность корнуэльской паровой машины была значительно улучшена Уильямом Симсом, Артуром Вульфом и Сэмюэлем Грузом. Обновленные корнуэльские паровые машины состояли из изолированных труб, двигателя и котлов для повышенной эффективности.
Парова́я маши́на - тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина - любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.
Горизонтальная стационарная двухцилиндровая паровая машина для привода заводских трансмиссий. Конец XIX в. Экспонат Музея Индустриальной Культуры. Нюрнберг
Значение паровых машин
Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Поздние паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами и электромоторами, КПД которых выше.
Паровые турбины, формально являющиеся разновидностью паровых машин, до сих пор широко используются в качестве приводов генераторов электроэнергии. Примерно 86% электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с использованием паровых турбин.
Принцип действия
Для привода паровой машины необходим паровой котёл . Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины , движение которых передаётся другим механическим частям. Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива - от кизяка до урана.
Изобретение и развитие
Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским философом, астрономом и инженером XVI века Таги-аль-Диноме. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 г. итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.
Однако дальнейшее развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики двигателей могли бы воспользоваться их результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения. Только в конце 17-го столетия паровые двигатели были созданы как единичные курьёзы. Первая машина была создана испанским изобретателем Йеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т. Севери (см. ниже). Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 г. англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 г. он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в 19-ом столетии). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной. Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-ых в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 г. создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала, как демонстрационная модель, но для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла, проложив таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. Однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил. Папен также проектировал лодку, приводимую в движение колесом с реактивной силой в комбинации концепций Таги-аль-Дина и Севери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.
Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Севери в 1698 году. На своё устройство Севери в 1698 году получил патент. Это был поршневой паровой насос, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы двигателя иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его «другом рудокопа».
Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Именно двигатель Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение, с которым принято связывать начало промышленной революции в Англии. Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах. Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления (американец Оливер Эванс и англичанин Ричард Тревитик). Р.Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм, или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования. Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7-8 миль в час. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком.
Паровые машины с возвратно-поступательным движением
Двигатели с возвратно-поступательным движением используют энергию пара для перемещения поршня в герметичной камере или цилиндре. Возвратно-поступательное действие поршня может быть механически преобразовано в линейное движение поршневых насосов или во вращательное движение для привода вращающихся частей станков или колёс транспортных средств.
Вакуумные машины
Гравюра двигателя Ньюкомена. Это изображение скопировано с рисунка в работе Дезаглирса «курс экспериментальной философии», 1744, которая является изменённой копией гравюры Генри Битона, датированной 1717 годом. Вероятно, изображён второй двигатель [хой]Ньюкомена, установленный приблизительно в 1714 в угольной шахте Гриф в Уоркшире.
Ранние паровые машины назывались вначале «огневыми машинами», а также «атмосферными» или «конденсирующими» двигателями Уатта. Они работали на вакуумном принципе и поэтому известны также как «вакуумные двигатели». Такие машины работали для привода поршневых насосов, во всяком случае, нет никаких свидетельств о том, что они использовались в иных целях. При работе паровой машины вакуумного типа в начале такта пар низкого давления впускается в рабочую камеру или цилиндр. Впускной клапан после этого закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. В двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр, и конденсат сбегает в сборник конденсата. Таким образом создаётся вакуум в цилиндре. Атмосферное давление в верхней части цилиндра давит на поршень, и вызывает его перемещение вниз, то есть рабочий ход.
Поршень связан цепью с концом большого коромысла, вращающегося вокруг своей середины. Насос под нагрузкой связан цепью с противоположным концом коромысла, которое под действием насоса возвращает поршень к верхней части цилиндра силой гравитации. Так происходит обратный ход. Давление пара низкое и не может противодействовать движению поршня.
Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. В 1774 году появилась версия паровой машины, созданная Уаттом в сотрудничестве с Мэттью Боултоном, основным нововведением которой стало вынесение процесса конденсации в специальную отдельную камеру (конденсатор). Эта камера помещалась в ванну с холодной водой, и соединялась с цилиндром трубкой, перекрывающейся клапаном. К конденсационной камере была присоединена специальная небольшая вакуумная помп (прообраз конденсатного насоса), приводимая в движение коромыслом и служащая для удаления конденсата из конденсатора. Образовавшаяся горячая вода подавалась специальным насосом (прообразом питательного насоса) обратно в котёл. Ещё одним радикальным нововведением стало закрытие верхнего конца рабочего цилиндра, в верхней части которого теперь находился пар низкого давления. Этот же пар присутствовал в двойной рубашке цилиндра, поддерживая его постоянную температуру. Во время движения поршня вверх этот пар по специальным трубкам передавался в нижнюю часть цилиндра, для того, чтобы подвергнуться конденсации во время следующего такта. Машина, по сути, перестала быть «атмосферной», и её мощность теперь зависела от разницы давлений между паром низкого давления и тем вакуумом, который удавалось получить.
версия паровой машины, созданная Уаттом
В паровой машине Ньюкомена смазка поршня осуществлялась небольшим количеством налитой на него сверху воды, в машине Уатта это стало невозможным, поскольку в верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку смесью тавота и нефти. Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.
Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничение их эффективности, были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII века. Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора. Максимальный теоретический КПД был ограничен относительно малой разницей температур по обе стороны поршня; это делало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими.
Приблизительно в 1811 году Ричарду Тревитнику потребовалось усовершенствовать машину Уатта, для того чтобы приспособить её к новым котлам Корниша. Давление пара над поршнем достигло 275 кПа (2,8 атмосферы), и именно оно давало основную мощность для совершения рабочего хода; кроме того, был существенно усовершенствован конденсатор. Такие машины получили название машин Корниша, и строились вплоть до 1890-х годов. Множество старых машин Уатта было реконструировано до этого уровня. Некоторые машины Корниша имели весьма большой размер.
Паровые машины высокого давления
В паровых машинах пар поступает из котла в рабочую камеру цилиндра, где расширяется, оказывая давление на поршень и совершая полезную работу. После этого расширенный пар может выпускаться в атмосферу или поступать в конденсатор. Важное отличие машин высокого давления от вакуумных состоит в том, что давление отработанного пара превышает атмосферное или равно ему, то есть вакуум не создаётся. Отработанный пар обычно имел давление выше атмосферного и часто выбрасывался в дымовую трубу, что позволяло увеличить тягу котла.
Важность увеличения давления пара состоит в том, что при этом он приобретает более высокую температуру. Таким образом, паровая машина высокого давления работает при большей разнице температур чем та, которую можно достичь в вакуумных машинах. После того, как машины высокого давления заменили вакуумные, они стали основой для дальнейшего развития и совершенствования всех возвратно-поступательных паровых машин. Однако то давление, которое считалось в 1800 году высоким (275-345 кПа), сейчас рассматривается как очень низкое - давление в современных паровых котлах в десятки раз выше.
Дополнительное преимущество машин высокого давления состоит в том, что они намного меньше при заданном уровне мощности, и соответственно, существенно менее дорогие. Кроме того, такая паровая машина может быть достаточно лёгкой и компактной, чтобы использоваться на транспортных средствах. Возникший в результате паровой транспорт (паровозы, пароходы) революционизировал коммерческие и пассажирские перевозки, военную стратегию, и вообще затронул практически каждый аспект общественной жизни.
Схема горизонтальной одноцилиндровой паровой машины высокого давления, двойного действия. Отбор мощности осуществляется приводным ремнем:
1 - Поршень2 - Шток поршня
3 - Ползун
4 - Шатун
5 - Коленчатый вал
6 - Эксцентрик для привода клапана
7 - Маховик
8 - Золотник
9 - Центробежный регулятор.
Паровые машины двойного действия
Следующим важным шагом в развитии паровых машин высокого давления стало появление машин двойного действия. В машинах одиночного действия поршень перемещался в одну сторону силой расширяющегося пара, но обратно он возвращался или под действием гравитации, или за счёт момента инерции вращающегося маховика, соединённого с паровой машиной.
В паровых машинах двойного действия свежий пар поочередно подается в обе стороны рабочего цилиндра, в то время как отработанный пар с другой стороны цилиндра выходит в атмосферу или в конденсатор. Это потребовало создания достаточно сложного механизма парораспределения. Принцип двойного действия повышает скорость работы машины и улучшает плавность хода.
Поршень такой паровой машины соединён со скользящим штоком, выходящим из цилиндра. К этому штоку крепится качающийся шатун, приводящий в движение кривошип маховика. Система парораспределения приводится в действие другим кривошипным механизмом. Механизм парораспределения может иметь функцию реверса для того, чтобы можно было менять направление вращения маховика машины.
Паровая машина двойного действия примерно вдвое мощнее обычной паровой машины, и кроме того, может работать с намного более легким маховиком. Это уменьшает вес и стоимость машин.
Большинство возвратно-поступательных паровых машин использует именно этот принцип работы, что хорошо видно на примере паровозов. Когда такая машина имеет два или более цилиндров, кривошипы устанавливаются со сдвигом в 90 градусов для того, чтобы гарантировать возможность запуска машины при любом положении поршней в цилиндрах. Некоторые колёсные пароходы имели одноцилиндровую паровую машину двойного действия, и на них приходилось следить, чтобы колесо не останавливалось в мёртвой точке, то есть в таком положении, при котором запуск машины невозможен.
Введение
Вплоть до второй половины XVIII века люди использовали для нужд производства в основном водяные двигатели. Так как передавать механическое движение от водяного колеса на большие расстояния невозможно, все фабрики приходилось строить на берегах рек, что не всегда было удобно. Кроме того, для эффективной работы такого двигателя часто требовались дорогостоящие подготовительные работы (устройство прудов, строительство плотин и тому подобное). Были у водяных колес и другие недостатки: они имели малую мощность, работа их зависела от времени года и с трудом поддавалась регулировке. Постепенно стала остро ощущаться нужда в принципиально новом двигателе: мощном, дешевом, автономном и легкоуправляемом. Именно таким двигателем на целое столетие стала для человека паровая машина.
Паровамя машимна -- тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу возвратно-поступательного движенияпоршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина -- любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.
История создания паровых машин
Идея парового двигателя была отчасти подсказана его изобретателям конструкцией поршневого водяного насоса, который был известен еще во времена античности.
Принцип его работы был очень прост: при подъеме поршня вверх вода засасывалась в цилиндр через клапан в его дне. Боковой клапан, соединявший цилиндр с водоподъемной трубой, в это время был закрыт, так как вода из этой трубы так же стремилась войти внутрь цилиндра и тем самым закрывала этот клапан. При опускании поршня он начинал давить на воду в цилиндре, благодаря чему закрывался нижний клапан и открывался боковой. В это время вода из цилиндра подавалась вверх по водоподъемной трубе. В поршневом насосе работа, получаемая извне, расходовалась на продвижение жидкости через цилиндр насоса. Изобретатели паровой машины старались использовать ту же конструкцию, но только в обратном направлении. Цилиндр с поршнем лежит в основе всех паровых поршневых двигателей. Первые паровые машины, впрочем, были не столько двигателями, сколько паровыми насосами, используемыми для откачки воды из глубоких шахт. Принцип их действия основывался на том, что после своего охлаждения и конденсации в воду пар занимал пространство в 170 раз меньше, чем в разогретом состоянии. Если вытеснить из сосуда воздух разогретым паром, закрыть его, а потом охладить пар, давление внутри сосуда будет значительно меньше, чем снаружи. Внешнее атмосферное давление будет сжимать такой сосуд, и если в него поместить поршень, он будет двигаться внутрь с тем большей силой, чем больше его площадь.
Впервые модель такой машины была предложена в 1690 году Папеном. Дени Папен был ассистентом у Гюйгенса, а с 1688 г. профессором математики в Марбургском университете. У него возникла идея использовать для атмосферного двигателя форму полого цилиндра с движущимся в нем поршнем. Перед Папеном стояла задача заставить поршень совершать работу силой атмосферного давления. В 1690 г. был создан принципиально новый проект парового двигателя. Вода в цилиндре при нагревании превращалась в пар и двигала поршень вверх. Через специальный клапан пар выталкивал воздух, а при конденсации пара создавалось разреженное пространство; наружное давление двигало поршень вниз. Опускаясь, поршень тянул за собой веревку с грузом. Папен ставил цилиндр машины вертикально потому, что цилиндр-клапан не может в ином положении выполнять свою функцию. Двигатель Папена полезную работу выполнял плохо, так как не мог осуществить непрерывное действие. Чтобы заставить поршень поднимать груз, необходимо было манипулировать стержнем-клапаном и стопором, перемещать источник пламени и охлаждать цилиндр водой.
Совершенствование пароатмосферных машин продолжил Томас Севери. В 1698 году Томас Севери изобрел паровой насос для откачки воды из шахт. Его «друг рудокопов» работал без поршня. Всасывание воды происходило путем конденсации пара и создания разреженного пространства над уровнем воды в сосуде. Севери отделил котел от сосуда, где производилась конденсация. Эта паровая машина обладала низкой экономичностью, но все-таки нашла широкое применение.
Но наиболее широко применялась в первой половине XVIII века паровая машина Ньюкомена, созданная в 1711 году. Паровой цилиндр помещался у Ньюкомена над паровым котлом. Поршневой шток (стержень, соединенный с поршнем) был соединен гибкой связью с концом балансира. С другим концом балансира был соединен шток насоса. Поршень поднимался в верхнее положение под действием противовеса, прикрепленного к противоположному концу балансира. Кроме того, движению поршня вверх помогал пар, запускаемый в это время в цилиндр. Когда поршень находился в крайнем верхнем положении, закрывали кран, впускавший пар из котла в цилиндр, и вбрызгивали в цилиндр воду. Под действием этой воды пар в цилиндре быстро охлаждался, конденсировался, и давление в цилиндре падало. Вследствие создавшейся разницы давлений внутри цилиндра и вне его, силой атмосферного давления поршень двигался вниз, совершая при этом полезную работу -приводил в движение балансир, который двигал шток насоса. Таким образом, полезная работа выполнялась только при движении поршня вниз. Затем снова запускали пар в цилиндр. Поршень опять поднимался вверх, и весь цилиндр наполнялся паром. Когда снова вбрызгивали воду, пар снова конденсировался, после чего поршень совершал новое полезное движение вниз, и так далее. Фактически в машине Ньюкомена работу совершало атмосферное давление, а пар служил только для создания разряженного пространства.
В свете дальнейшего развития парового двигателя становится ясным основной недостаток машины Ньюкомена рабочий цилиндр в ней являлся в то же время и конденсатором. Из-за этого приходилось поочередно то охлаждать, то нагревать цилиндр и расход топлива оказывался очень велик. Бывали случаи, когда при машине находилось 50 лошадей, едва успевавших подвозить необходимое топливо. Коэффициент полезного действия (КПД) этой машины едва ли превышал 1%. Другими словами, 99% всей теплотворной энергии терялось бесплодно. Тем не менее эта машина получила в Англии распространение, особенно на шахтах, где уголь был дешевый. Последующие изобретатели внесли несколько усовершенствований в насос Ньюкомена. В частности, в 1718 году Бейтон придумал самодействующий распределительный механизм, который автоматически включал или отключал пар и впускал воду. Он же дополнил паровой котел предохранительным клапаном.
Но принципиальная схема машины Ньюкомена оставалась неизменна на протяжении 50 лет, пока ее усовершенствованием не занялся механик университета в Глазго Джемс Уатт. В 1763-1764 годах ему пришлось чинить принадлежавший университету образец машины Ньюкомена. Уатт изготовил небольшую ее модель и принялся изучать ее действие. При этом он мог использовать некоторые приборы, принадлежавшие университету, и пользовался советами профессоров. Все это позволило ему взглянуть на проблему шире, чем смотрели на нее многие механики до него, и он смог создать гораздо более совершенную паровую машину.
Работая с моделью, Уатт обнаружил, что при запускании пара в охлажденный цилиндр он в значительном количестве конденсировался на его стенках. Уатту сразу стало ясно, что для более экономичной работы двигателя целесообразнее держать цилиндр постоянно нагретым. Но как в этом случае конденсировать пар? Несколько недель он раздумывал, как разрешить эту задачу, и наконец сообразил, что охлаждение пара должно происходить в отдельном цилиндре, соединенном с главным короткой трубкой. Сам Уатт вспоминал, что однажды во время вечерней прогулки он проходил мимо прачечной и тут при виде облаков пара, вырывавшихся из окошка, он догадался, что пар, будучи телом упругим, должен устремляться в разряженное пространство. Как раз тогда ему пришла мысль, что машину Ньюкомена надо дополнить отдельным сосудом для конденсации пара. Простой насос, приводимый в движение самой машиной, мог удалять из конденсатора воздух и воду, так что при каждом ходе машины там бы могло создаваться разряженное пространство.
Вслед за тем Уатт внес еще несколько усовершенствований, в результате чего машина приняла следующий вид. К обеим сторонам цилиндра были подведены трубки: через нижнюю пар поступал внутрь из парового котла, через верхнюю отводился в конденсатор. Конденсатор представлял собой две жестяные трубки, стоявшие вертикально и сообщавшиеся между собой вверху короткой горизонтальной трубкой с отверстием, перекрывавшимся краном. Дно этих трубок было соединено с третьей вертикальной трубкой, которая служила воздушным отводным насосом. Трубки, составлявшие холодильник и воздушный насос, были помещены в небольшой цилиндр с холодной водой. Паровая трубка была соединена с котлом, из которого пар выпускался в цилиндр. Когда пар заполнял цилиндр, паровой кран закрывали и поднимали поршень воздушного насоса конденсатора, вследствие чего в трубках конденсатора получалось сильно разряженное пространство. Пар устремлялся в трубки и конденсировался там, а поршень поднимался вверх, увлекая за собой груз (так измеряли полезную работу поршня). Затем выпускной кран закрывали.
Несколько последующих лет Уатт упорно трудился над совершенствованием своего двигателя. В машину 1776 года по сравнению с конструкцией 1765 года было внесено несколько принципиальных улучшений. Поршень помещался внутри цилиндра, окруженный паровым кожухом (рубашкой). Благодаря этому была до минимума сокращена потеря тепла. Кожух сверху был закрыт, тогда как цилиндр -- открыт. Пар поступал в цилиндр из котла по боковой трубе. Цилиндр соединялся с конденсатором трубой, снабженной паровыпускным клапаном. Несколько выше этого клапана и ближе к цилиндру был размещен второй, уравновешивающий клапан. Когда оба клапана были открыты, пар, выпущенный из котла, наполнял все пространство над поршнем и под ним, вытесняя воздух по трубе в конденсатор. Когда клапаны закрывали, вся система продолжала оставаться в равновесии. Затем открывали нижний выпускной клапан, отделяющий пространство под поршнем от конденсатора. Пар из этого пространства направлялся в конденсатор, охлаждался здесь и конденсировался. При этом под поршнем создавалось разряженное пространство, и давление падало. Сверху же продолжал оказывать давление пар, поступавший из котла. Под его действием поршень спускался вниз и совершал полезную работу, которая при помощи балансира передавалась штоку насоса. После того как поршень опускался до своего крайнего нижнего положения, открывался верхний, уравновешивающий, клапан. Пар снова заполнял пространство над поршнем и под ним. Давление в цилиндре уравновешивалось. Под действием противовеса, расположенного на конце балансира, поршень свободно поднимался вверх (не выполняя при этом полезной работы). Затем весь процесс продолжался в той же последовательности.
Хотя эта машина Уатта, так же как и двигатель Ньюкомена, оставалась односторонней, она имела уже важное отличие -- если у Ньюкомена работу совершало атмосферное давление, то у Уатта ее совершал пар. Увеличивая давление пара, можно было увеличить мощность двигателя и таким образом влиять на его работу. Впрочем, это не устраняло основного недостатка такого типа машин - они совершали только одно рабочее движение, работали рывками и потому могли использоваться только как насосы. В 1775-1785 годах было построено 66 таких паровых двигателей.
Ползунов начал свою работу почти одновременно с Уаттом, но с иным подходом к проблеме двигателя и в совершенно других экономических условиях. Ползунов начинал с общеэнергетической постановки задачи о полной замене зависящих от локальных условий гидросиловых установок универсальным тепловым двигателем, но не смог реализовать свои смелые планы в крепостной России.
В 1763 г. И.И. Ползунов разработал детальный проект парового двигателя мощностью в 1,8 л.с., а в 1764 г. вместе со своими учениками приступил к созданию «огнедействующей машины». Весной 1766 г. она была практически готова. Из-за скоротечной чахотки самому изобретателю не удалось увидеть свое детище в действии. Испытания паровой машины начались спустя неделю после смерти Ползунова.
Машина Ползунова отличалась от известных в то время паровых двигателей прежде всего тем, что она предназначалась не только для подъема воды, но и для приведения в действие заводских машин -- воздуходувных мехов. Это была машина непрерывного действия, чего удалось достичь за счет применения двух цилиндров вместо одного: поршни цилиндров двигались навстречу друг другу и поочередно действовали на общий вал. В своем проекте Ползунов указал все материалы, из которых должна быть изготовлена машина, а также обозначил технологические процессы, которые потребуются при ее сооружении (пайку, литье, полировку). Специалисты утверждают, что докладная записка с изложением проекта отличалась чрезвычайной ясностью мысли и филигранной точностью проведенных расчетов.
По замыслу изобретателя, пар из котла машины подавался в один из двух цилиндров и поднимал поршень до крайнего верхнего положения. После этого в цилиндр из резервуара впрыскивалась охлажденная вода, что приводило к конденсации пара. Под давлением внешней атмосферы поршень опускался, в то время как в другом цилиндре в результате давления пара поршень поднимался. С помощью специального устройства осуществлялись две операции -- автоматический впуск пара из котла в цилиндры и автоматическое поступление холодной воды. Система шкивов (специальных колес) передавала движение от поршней к насосам, нагнетавшим воду в резервуар, и воздуходувным мехам.
Параллельно основной машине изобретатель разработал множество новых деталей, приспособлений и устройств, значительно упрощавших процесс производства. В качестве примера можно привести сконструированный им регулятор прямого действия для поддержания постоянного уровня воды в котле. В процессе испытаний обнаружились серьезные дефекты двигателя: неточная обработка поверхностей используемых цилиндров, неплотность воздуходувных мехов, наличие в металлических деталях раковин и др. Эти огрехи объяснялись тем, что уровень машиностроительного производства на Барнаульском заводе был еще недостаточно высоким. А научные достижения того времени не позволяли точно рассчитать необходимое количество охлаждающей воды. Тем не менее все недостатки были решены, и в июне 1766 г. была успешно испытана установка с мехами, после чего началось строительство печей.
