В представлении большинства людей века смартфонов автомобили на паровой тяге – это нечто архаическое, что вызывает улыбку. Паровые страницы истории автомобилестроения были очень яркими и без них трудно представить современный транспорт вообще. Как ни старались скептики от законотворчества, а также нефтяные лоббисты разных стран ограничить развитие автомобиля на пару, им это удавалось лишь на время. Ведь паровой автомобиль подобен Сфинксу. Идея автомобиля на пару (т. е. на двигателе наружного сгорания) актуальна и по сей день.
В представлении большинства людей века смартфонов автомобили на паровой тяге – это нечто архаическое, что вызывает улыбку.
Так в 1865 году в Англии ввели запрет на передвижение скоростных самоходных карет на паровом ходу. Им запрещалось передвигаться быстрее 3 км/ч по городу и не выпускать клубы пара, дабы не пугать лошадей, запряжённых в обычные экипажи. Самым серьёзным и ощутимым ударом по паровым грузовым автомобилям уже в 1933 году нанёс закон о налоге на тяжёлые транспортные средства. И только в 1934 году, когда были снижены пошлины на импорт нефтепродуктов, замаячила на горизонте победа бензиновых и дизельных двигателей над паровыми.
Так изысканно и хладнокровно издеваться над прогрессом могли себе позволить только в Англии. В США, Франции, Италии среда изобретателей-энтузиастов буквально бурлила идеями, а паровой автомобиль приобретал новые очертания и характеристики. Хотя английские изобретали внесли весомый вклад в развитие парового автотранспорта, законы и предубеждения властей не позволяли им полноценно участвовать в схватке с ДВС. Но давайте обо всём по порядку.
Доисторическая справка
История развития парового автомобиля неразрывно связана с историей возникновения и совершенствования паровой машины. Когда в I веке н. э. Герон из Александрии предложил свою идею заставить пар вращать металлический шар, к его идее отнеслись не более, чем к забаве. То ли другие идеи в большей степени волновали изобретателей, но первым, кто поставил паровой котёл на колёса был монах Фердинанд Вербст. В 1672 году. К его «игрушке» тоже отнеслись как к забаве. Но следующие сорок лет не прошли даром для истории парового двигателя.
Проект самодвижущегося экипажа Исаака Ньютона (1680), пожарный аппарат механика Томаса Севери (1698) и атмосферная установка Томаса Ньюкомена (1712) продемонстрировали огромный потенциал использования пара для совершения механической работы. Сначала паровые машины откачивали воду из шахт и поднимали грузы, но к середине 18 века на предприятиях Англии таких паровых установок уже было несколько сотен.
Что же собой представляет паровой двигатель? Как может пар двигать колёса? Принцип паровой машины прост. Вода нагревается в закрытом резервуаре до состояния пара. Пар отводится по трубкам в закрытый цилиндр и выдавливает поршень. Через промежуточный шатун это поступательное движение передаётся на вал маховика.
Эта принципиальная схема работы парового котла на практике имела существенные недостатки.
Первая порция пара клубами вырывалась наружу, а остывший поршень под собственным весом опускался вниз для следующего такта. Эта принципиальная схема работы парового котла на практике имела существенные недостатки. Отсутствие системы регулирования давлением пара нередко приводила к взрыву котла. Для доведения котла до рабочего состояния требовалось немало времени и топлива. Постоянная дозаправка и гигантские размеры паровой установки лишь увеличивали перечень её недостатков.
Новую машину в 1765 году предложил Джеймс Уатт. Он направил выдавливаемый поршнем пар в дополнительную камеру для конденсации и избавил от необходимости постоянно подливать воду в котёл. Наконец, в 1784 году он разрешил задачу, как перераспределить движение пара таким образом, чтобы он толкал поршень в обоих направлениях. Благодаря созданному им золотнику, паровая машина могла работать без перерывов между тактами. Этот принцип теплового двигателя двойного действия и лёг в основу большинства паровой техники.
Над созданием паровых машин трудились много умных людей. Ведь это простой и дешёвый способ получения энергии практически из ничего.
Небольшой экскурс в историю автомобилей на паровой тяге
Однако, как ни грандиозны были успехи англичан в области , первым, кто поставил паровую машина на колёса, был француз Николя Жозеф Кюньо.
Первый паровой автомобиль Кюньо
Его автомобиль появился на дорогах в 1765 году. Скорость передвижения коляски была рекордной — 9,5 км/ч. В нём изобретатель предусмотрел четыре места для пассажиров, которых можно было прокатить с ветерком на средней скорости 3,5 км/ч. Этого успеха изобретателю показалось недостаточно.
Необходимость остановки для заправки водой и разжигание нового костра через каждый километр пути не были существенным минусом, а лишь уровнем техники того времени.
Он решился на изобретение тягача для пушек. Так на свет появилась трёхколёсная повозка с массивным котлом впереди. Необходимость остановки для заправки водой и разжигание нового костра через каждый километр пути не были существенным минусом, а лишь уровнем техники того времени.
Следующая модель Кюньо образца 1770 года имела вес около полутора тонн. Новая телега могла транспортировать порядка двух тонн груза со скоростью 7 км/ч.
Маэстро Кюньо больше занимала идея создания парового двигателя высокого давления. Его даже не смущал тот факт, что котёл мог взорваться. Именно Кюньо придумал расположить топку под котлом и возить «костёр» с собой. Кроме того, его «телега» может по праву быть названа первым грузовиком. Отставка покровителя и череда революций не дали возможности мастеру развить модель до полноценной грузовой машины.
Самоучка Оливер Эванс и его амфибия
Идея создания паровых машин имела вселенские масштабы. В североамериканских штатах изобретатель Оливер Эванс создал около пятидесяти паровых установок на базе машины Уатта. Стараясь уменьшить габариты установки Джеймса Уатта, он конструировал паровые машины для мукомольных фабрик. Однако всемирную славу Оливер Эванс приобрёл за свой паровой автомобиль-амфибию. В 1789 году его первый автомобиль в США успешно прошёл сухопутное и водное испытания.
На свою амфибию, которую можно назвать прообразом вездеходов, Эванс установил машину с давлением пара в десять атмосфер!
Девятиметровый автомобиль-лодка имел вес около 15 тонн. Паровая машина приводила в движение задние колёса и гребной винт. Кстати говоря, Оливер Эванс тоже был сторонником создания парового двигателя высокого давления. На свою амфибию, которую можно назвать прообразом вездеходов, Эванс установил машину с давлением пара в десять атмосфер!
Если бы у изобретателей 18-19 веков были под рукой технологии 21 века, вы представляете, сколько техники они бы придумали!? И какой техники!
XX век и 204 км/ч на паровом автомобиле Стэнли
Да! 18 век дал мощный толчок к развитию парового транспорта. Многочисленные и разнообразные конструкции самоходных паровых повозок стали всё чаще разбавлять гужевой транспорт на дорогах Европы и Америки. К началу XX века автомобили на паровой тяге существенно распространились и стали привычным символом своего времени. Как и фотография.
18 век дал мощный толчок к развитию парового транспорта
Именно свою фотографическую компанию продали братья Стэнли, когда в 1897 году решили всерьёз заняться производством паровых авто в США. Они создавали хорошо продаваемые паромобили. Но этого им было недостаточно для удовлетворения своих амбициозных планов. Ведь они были всего лишь одни из многих таких же автопроизводителей. Так было до тех пор, пока они не сконструировали свою «ракету».
Именно свою фотографическую компанию продали братья Стэнли, когда в 1897 году решили всерьёз заняться производством паровых авто в США.
Конечно, автомобили Стэнли имели славу надёжного автомобиля. Паровой агрегат располагался сзади, а бойлер разогревался при помощи факелов бензина или керосина. Маховик парового двухцилиндрового мотора двойного действия вращение на заднюю ось посредством цепной передачи. Случаев взрывов котла у Стэнли Стимер не было. Но им нужен был фурор.
Конечно, автомобили Стэнли имели славу надёжного автомобиля.
Своей «ракетой» они произвели фурор на весь мир. 205,4 км/ч в 1906 году! Так быстро ещё не ездил никто! Авто с ДВС побил этот рекорд только 5 лет спустя. Фанерная паровая «Ракета» Стэнли определила форму гоночных авто на многие годы вперёд. Но после 1917 года Стенли Стимер всё тяжелее переживал конкуренцию дешёвого Форд Т и ушёл в отставку.
Уникальные паромобили братьев Добл
Этому знаменитому семейству удалось оказывать достойное сопротивление бензиновым моторам аж до начала 30-х годов XX века. Они не собирали машины для рекордов. Братья поистине любили свои паромобили. Иначе, чем ещё объяснить изобретённые ими сотовый радиатор и кнопку зажигания? Их модели не были похожи на малые паровозы.
Братья Абнер и Джон сделали революцию в паровом транспорте.
Братья Абнер и Джон сделали революцию в паровом транспорте. Чтобы сдвинуться с места, его машину не требовалось разогревать 10–20 минут. Кнопка зажигания нагнетала керосин из карбюратора в камеру сгорания. Он попадал туда после розжига запальной свечой. Вода нагревалась за считанные секунды, а через минуту-полторы пар создавал необходимое давление и можно было ехать.
Отработанный пар направлялся в радиатор для конденсации и подготовки к последующим циклам. Поэтому для плавного пробега на 2000 км автомобилям Доблов требовалось всего девяносто литров воды в системе и несколько литров керосина. Такой экономичности не мог предложить никто! Возможно, именно на автосалоне в Детройте в 1917 году Стэнли познакомились с моделью братьев Добл и начали сворачивать своё производство.
Модель Е стала самым роскошным автомобилем второй половины 20-х и самой последней версией паромобиля Доблов. Кожаный салон, полированные элементы из дерева и кости слона радовали состоятельных владельцев внутри автомобиля. В таком салоне можно было наслаждаться пробегом на скорости до 160 км/ч. Всего 25 секунд отделяли момент зажигание от момента старта. Ещё 10 секунд требовалось, чтобы автомобиль массой в 1,2 т разогнался до 120 км/ч!
Все эти скоростные качества были заложены в четырёхцилиндровом моторе. Два поршня выталкивались паром под высоким давлением в 140 атмосфер, а два других отправляли остывший пар низкого давления в сотовый конденсатор-радиатор. Но в первой половине 30-х годов и эти красавцы братьев Добл перестали выпускаться.
Паровые грузовые машины
Однако не стоит забывать, что паровая тяга бурно развивалась и на грузовом транспорте. Это в городах паровые автомобили вызывали аллергию у снобов. А ведь грузы должны доставляться в любую погоду и не только по городу. А междугородние автобусы и военная техника? Там легковыми малолитражками не отделаешься.
Грузовой транспорт имеет одно значительное преимущество перед легковым – это его габариты.
Грузовой транспорт имеет одно значительное преимущество перед легковым – это его габариты. Именно они позволяют разместить мощные силовые установки в любом месте автомобиля. Причём она только увеличит грузоподъёмность и проходимость. А как будет выглядеть грузовик – на это не всегда обращали внимание.
Среди паровых грузовых машин хочется выделить английский Сэнтинэл и советский НАМИ. Конечно, были и многие другие, например, Фоден, Фаулер, Йоркшир. Но именно Сэнтинэл и НАМИ оказались самыми живучими и выпускались до конца 50-х годов прошлого века. Они могли работать на любом твёрдом топливе – угле, дровах, торфе. «Всеядность» этих грузовиков на пару ставило их вне влияния цен на нефтепродукты, а также позволяло использовать их в труднодоступных местах.
Трудяга Сэнтинэл с английским акцентом
Эти два грузовика отличаются не только страной производителя. Принципы расположения парогенераторов тоже были разные. Для Сэнтинэлов характерны верхнее и нижнее расположение паровых машин относительно котла. При верхнем расположении парогенератор подавал горячий пар непосредственно в камеру двигателя, который был связан с мостами системой карданных валов. При нижнем расположении парового двигателя, т. е. на шасси, котёл разогревал воду и подавал пар в двигатель по трубкам, что гарантировало потери температуры.
Для Сэнтинэлов характерны верхнее и нижнее расположение паровых машин относительно котла.
Наличие цепной передачи от маховика паровой машины на карданы было типичным для обоих типах. Это позволило конструкторам унифицировать выпуск Сэнтинэлов в зависимости от заказчика. Для жарких стран, таких как Индия, выпускали паровые грузовики с нижним, разделённым расположением котла и двигателя. Для стран с холодными зимами – с верхним, совмещённым типом.
Для жарких стран, таких как Индия, выпускали паровые грузовики с нижним, разделённым расположением котла и двигателя.
На этих грузовиках применяли множество проверенных технологий. Золотники и клапаны распределения пара, двигатели простого и двойного действия, с высоким или низким давлением, с или без КПП. Однако, это не продлили жизнь английским паровым грузовикам. Хоть они и выпускались до конца 50-х годов XX века и даже состояли на воинской службе до и во время 2-й мировой войны, они всё же были громоздкими и чем-то напоминали паровозы. А так как в их кардинальной модернизации не было заинтересованных особ, то их участь была предрешена.
Хоть они и выпускались до конца 50-х годов XX века и даже состояли на воинской службе до и во время 2-й мировой войны, они всё же были громоздкими и чем-то напоминали паровозы.
Кому что, а нам – НАМИ
Чтобы поднять разрушенную войной экономику советского союза, нужно было найти способ не тратить ресурсы нефти, хотя бы в труднодоступных местах – на севере страны и в Сибири. Советским инженерам была предоставлена возможность изучить конструкцию Сэнтинэла с верхним расположением четырёхцилиндровой паровой машины прямого действия и разработать свой «ответ Чемберлену».
В 30-х годах российские институты и конструкторские бюро предпринимали неоднократные попытки создания альтернативного грузовика для лесной промышленности.
В 30-х годах российские институты и конструкторские бюро предпринимали неоднократные попытки создания альтернативного грузовика для лесной промышленности. Но каждый раз дело останавливалось на стадии испытаний. Используя собственный опыт и возможность изучения трофейных паромобилей, инженерам удалось убедить руководство страны в необходимости такого грузовика-паровика. Тем более что бензин стоил в 24 раза дороже угля. А со стоимостью дров в тайге вообще можно не упоминать.
Группа конструкторов под руководством Ю. Шебалина максимально упростили парового агрегата в целом. Они совместили четырёхцилиндровый двигатель и котёл в один агрегат и расположили его между кузовом и кабиной. Поставили эту установку на шасси серийного ЯАЗ (МАЗ)-200. Работа пара и его конденсация были совмещены в замкнутом цикле. Подача дровяных чушек из бункера осуществлялась автоматически.
Так появился на свет, вернее на лесном бездорожье, НАМИ-012. Очевидно, принцип бункерной подачи твёрдого топлива и расположение паровой машины на грузовом автомобиле был заимствован из практики газогенераторных установок.
Судьба хозяина лесов – НАМИ-012
Характеристики парового отечественного бортового грузовика и лесовоза НАМИ-012 были такие
- Грузоподъёмность – 6 тонн
- Скорость – 45 км/ч
- Дальность пробега без дозаправки топлива – 80 км, если была возможность обновить запас воды, то 150 км
- Крутящий момент на малых оборотах – 240 кгм, что превышало почти в 5 раз показатели базового ЯАЗ-200
- Котёл с естественной циркуляцией создавал давление в 25 атмосфер и доводил пар до температуры 420°С
- Пополнять запасы воды возможно было непосредственно из водоёма через эжекторы
- Цельнометаллическая кабина не имела капот и была выдвинута вперёд
- Скорость регулировалась объёмом пара в двигателе при помощи рычага подачи/отсечки. С его помощью цилиндры наполнялись на 25/40/75%.
- Одна задняя передача и три педаль управления.
Серьёзными недостатками парового грузовика были расход 400 кг дров на 100 км пути и необходимость в мороз избавляться от воды в котле.
Серьёзными недостатками парового грузовика были расход 400 кг дров на 100 км пути и необходимость в мороз избавляться от воды в котле. Но основным минусом, который присутствовал у первого образца, была плохая проходимость в незагруженном состоянии. Тогда получалось, что передняя ось была перегружена кабиной и паровым агрегатом, по сравнению с задней. С этой задачей справились, установив модернизированную паросильную установку на полноприводный ЯАЗ-214. Теперь и мощность лесовоза НАМИ-018 была доведена до 125 лошадиных сил.
Но, не успев распространиться по стране, парогенераторные грузовики были все утилизированы во второй половине 50-х годов прошлого века.
Но, не успев распространиться по стране, парогенераторные грузовики были все утилизированы во второй половине 50-х годов прошлого века. Впрочем, вместе с газогенераторными. Потому что стоимость переделки автомобилей, экономический эффект и удобство эксплуатации были трудоёмки и сомнительны, по сравнению с бензиновыми и дизельными грузовиками. Тем более что к этому времени в Советском Союзе уже налаживалась добыча нефти.
Скоростной и доступный современный паровой автомобиль
Не стоит думать, что идея автомобиля на паровой тяге забыта навсегда. Сейчас проявляется значительный рост интереса к двигателям, альтернативным ДВС на бензине и дизтопливе. Мировые запасы нефти не безграничны. Да, и стоимость нефтепродуктов постоянно увеличивается. Конструкторы так старались усовершенствовать ДВС, что их идеи почти достигли своего лимита.
Электромобили, авто на водороде, газогенераторные и паромобили вновь стали актуальными темами. Здравствуй, забытый 19 век!
Сейчас проявляется значительный рост интереса к двигателям, альтернативным ДВС на бензине и дизтопливе.
Британский инженер (опять Англия!) продемонстрировал новые возможности парового двигателя. Он создал свой Inspuration не только для демонстрации актуальности автомобилей паровой тяге. Его детище сделано для рекордов. 274 км/ч – такова скорость, которую разгоняют двенадцать котлов, установленных на 7,6 метровый болиде. Всего 40 литров воды достаточно, чтобы сжиженный газ буквально за миг довёл температуру пара до 400°С. Подумать только, истории понадобилось 103 года, чтобы побить рекорд скорости автомобиля на паровой тяге, установленный «Ракетой»!
В современном парогенераторе можно использовать уголь в виде порошка или другое дешёвое топливо, например, мазут, сжиженный газ. Именно поэтому паровые автомобили всегда были и будут популярны.
Но чтобы настало экологически чистое будущее, опять необходимо преодолевать сопротивление нефтяных лоббистов.
Процесс изобретения парового двигателя, как это часто бывает в технике, растянулся чуть ли не на столетие, поэтому выбор даты для этого события достаточно условен. Впрочем, никем не отрицается, что прорыв, приведший к технологической революции, был осуществлен шотландцем Джеймсом Уаттом.
Над использованием пара в качестве рабочего тела люди задумывались еще в глубокой древности. Однако лишь на рубеже XVII–XVIII вв. удалось найти способ производить полезную работу с помощью пара. Одна из первых попыток поставить пар на службу человеку была предпринята в Англии в 1698 г.: машина изобретателя Сэйвери предназначалась для осушения шахт и перекачивания воды. Правда, изобретение Сэйвери еще не было двигателем в полном смысле этого слова, поскольку, кроме нескольких клапанов, открывавшихся и закрывавшихся вручную, в нем не имелось подвижных частей. Машина Сэйвери работала следующим образом: сначала герметичный резервуар наполнялся паром, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, отчего пар конденсировался, и в резервуаре создавался частичный вакуум. После этого вода – например, со дна шахты – засасывалась в резервуар через заборную трубу и после впуска очередной порции пара выбрасывалась наружу.
Первая паровая машина с поршнем была построена французом Дени Папеном в 1698 г. Вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем, и образовавшийся пар толкал поршень вверх. Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень опускался вниз под действием атмосферного давления. Посредством системы блоков паровая машина Папена могла приводить в действие различные механизмы, например насосы.
Более совершенную машину в 1712 г. построил английский кузнец Томас Ньюкомен. Как и в машине Папена, поршень перемещался в вертикальном цилиндре. Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. При впрыскивании в цилиндр холодной воды пар конденсировался, в цилиндре образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом, двигавшимся наподобие качелей, поднимал вверх шток насоса. Когда поршень находился в нижней точке своего хода, в цилиндр снова поступал пар, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса или на коромысле, поршень поднимался в исходное положение. После этого цикл повторялся.
Машина Ньюкомена широко использовалась в Европе более 50 лет. В 1740‑х годах машина с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняла работу, которую бригада из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, выполняла за неделю. И все‑таки ее КПД был чрезвычайно низок.
Наиболее ярко промышленная революция проявилась в Англии, прежде всего в текстильной промышленности. Несоответствие предложения тканей и стремительно возрастающего спроса привлекло лучшие конструкторские умы к разработке прядильных и ткацких машин. В историю английской техники навсегда вошли имена Картрайта, Кея, Кромптона, Харгривса. Но созданные ими прядильные и ткацкие станки нуждались в качественно новом, универсальном двигателе, который бы непрерывно и равномерно (именно этого не могло обеспечить водяное колесо) приводил станки в однонаправленное вращательное движение. Вот здесь‑то во всем своем блеске предстал талант знаменитого инженера, «волшебника из Гринока» Джеймса Уатта.
Уатт родился в шотландском городке Гринок в семье кораблестроителя. Работая учеником в мастерских в Глазго, за первые два года Джеймс приобрел квалификацию гравировщика, мастера по изготовлению математических, геодезических, оптических приборов, различных навигационных инструментов. По совету дяди‑профессора Джеймс поступил в местный университет на должность механика. Именно здесь Уатт начал работать над паровыми машинами.
Джеймс Уатт пытался усовершенствовать пароатмосферную машину Ньюкомена, которая, в общем‑то, годилась только для перекачивания воды. Ему было ясно, что основной недостаток машины Ньюкомена состоял в попеременном нагревании и охлаждении цилиндра. В 1765 г. Уатт пришел к мысли, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если до конденсации отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. Кроме того, Уатт сделал еще несколько усовершенствований, окончательно превративших паро‑атмосферную машину в паровую. Например, он изобрел шарнирный механизм – «параллелограмм Уатта» (называется так потому, что часть звеньев – рычагов, входящих в его состав, образует параллелограмм), который преобразовывал возвратно‑поступательное движение поршня во вращательное движение главного вала. Теперь ткацкие станки могли работать непрерывно.
В 1776 г. машина Уатта прошла испытания. Ее КПД оказался вдвое больше, чем у машины Ньюкомена. В 1782 г. Уатт создал первую универсальную паровую машину двойного действия. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Поэтому поршень совершал и рабочий, и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах. Поскольку в паровой машине двойного действия шток поршня совершал тянущее и толкающее действие, прежнюю приводную систему из цепей и коромысла, которая реагировала только на тягу, пришлось переделать. Уатт разработал систему связанных тяг и применил планетарный механизм для преобразования возвратно‑поступательного движения штока поршня во вращательное движение, использовал тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара. Запатентованная Уаттом «ротативная паровая машина» сначала широко применялась на прядильных и ткацких фабриках, а позже и на других промышленных предприятиях. Двигатель Уатта годился для любой машины, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самодвижущихся механизмов.
Паровая машина Уатта поистине стала изобретением века, положившим начало промышленной революции. Но изобретатель на этом не ограничился. Соседи не раз с удивлением наблюдали за тем, как Уатт гоняет по лугу лошадей, тянущих специально подобранные тяжести. Так появилась единица мощности – лошадиная сила, получившая впоследствии всеобщее признание.
К сожалению, финансовые трудности вынудили Уатта уже в зрелом возрасте проводить геодезические изыскания, работать на строительстве каналов, сооружать порты и пристани, пойти, наконец, на экономически кабальный союз с предпринимателем Джоном Ребеком, потерпевшим вскоре полный финансовый крах.
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.
Изобретение паровой машины стало поворотным моментом промышленной и всеобщей истории человечества. На рубеже XVII-XVIII веков появились предпосылки к замене маломощных и неэффективных живых «двигателей», ветряных мельниц и водяных колес на механизмы совершенно нового типа - паровые машины . Именно паровые двигатели сделали возможным свершение промышленной революции и достижение современного уровня развития техники.
Считается, что первую паровую машину изобрел шотландский механик Джеймс Уатт - ведь не зря же его именем названа международная единица мощности Ватт! Однако в действительности Уатт сделал массу усовершенствований и предложил новый тип двигателя, а история паровых машин берет свое начало гораздо раньше.
Использование пара для приведения в действие механизма впервые описано древнегреческим ученым Героном Александрийским, работавшим примерно в I веке н. э. Именно Героном был изобретен знаменитый Эолипил (или «шар Эола») - закрепленная на оси сфера с выходящими из нее форсунками. Шар, наполненный водой, нагревался на огне, а выходящий из форсунок пар приводил сферу во вращение.
Конечно, все это не более чем игрушка, но и она была забыта более чем на полтора тысячелетия. Впервые после Герона силу пара попытался использовать арабский инженер и философ Таги-аль-Диноме - в XVI веке им был создан прообраз паровой турбины, вращавший вертел. Почти через век - в 1615 году - француз Соломон де Ко описывает устройство, которое с помощью пара может поднимать воду. А в 1629 году итальянец Джованни Бранка также создает машину, напоминающую турбину , - нагретый пар выходил из трубки и ударял в лопатки на колесе, тем самым заставляя это колесо вращаться.
Примерно в это же время испанский инженер Йеронимо Аянс де Бомонт создал паровую машину с цилиндром - этот механизм оказал некоторое влияние на развитие событий в области усовершенствования паровых машин. А в 1663 году англичанин Эдвард Сомерсет описывает паровую машину для подъема воды из колодцев и шахт, а впоследствии получает и патент на это изобретение. Созданная Сомерсетом машина проработала некоторое время в одном из английских замков, но показала далеко не самые лучшие результаты.
Огромную роль в развитии паровых машин сыграли два человека: француз Дени Папен и англичанин Томас Сэйвери. Па-пен в середине 70-х годов XVII века изобрел цилиндр, в котором с помощью взрыва пороха создается вакуум, а потом (в 1680 году) приспособил этот цилиндр для работы от пара. Французский ученый к концу века приблизился к созданию промышленного образца паровой машины, но его опередил Сэйвери - в 1698 году англичанин получил патент на машину, а в 1702 году механизм его конструкции начали использовать для подъема и откачивания воды. Однако эти паровые машины получили весьма ограниченное распространение - уж слишком несовершенны они были.
Но если устройства Папена и Сэйвери мало применялись на практике, то почему эти люди сыграли важную роль в истории техники? Все дело в том, что идеи этих инженеров-изобретателей легли в основу паровой машины, созданной в 1712 году англичанином Томасом Ньюкоменом. Изобретатель объединил машину конструкции Сэйвери с цилиндром системы Папена, в результате чего появился достаточно совершенный двигатель, работавший на пару. Интересная деталь: управление машиной осуществлялось вручную - для этих целей нанимали специального человека, в задачи которого входило с определенной периодичностью открывать и закрывать клапаны. Как гласит легенда, в 1713 году мальчик Хэмфри Поттер, работавший у одной из машин, придумал, как заставить клапаны работать самостоятельно. И только в 1715 году на паровых машинах системы Ньюкомена появилась полностью автоматическая система парораспределения.
Здесь необходимо сделать два важных замечания. Во-первых, все описанные выше паровые машины являются вакуумными (или атмосферными). В машинах этого типа пар использовался только для нагрева цилиндра, в котором двигался поршень. Принцип прост: пар поступает в цилиндр, нагревая его до высокой температуры, после чего на цилиндр выливается холодная вода. Вследствие этого происходит резкое охлаждение, а в цилиндре образуется разрежение (вакуум), благодаря чему под действием атмосферного давления поршень входит вглубь цилиндра, совершая при этом работу. Во-вторых, все эти машины применялись только для подъема и перемещения воды - изобретателям и в голову не приходило, что с помощью пара можно приводить в движение различные механизмы. Так что даже машину Ньюкомена нередко называют паровым насосом.
Более полувека паровые машины Ньюкомена оставались единственными механизмами, пригодными для промьшшенного использования. Лишь в начале 1760-х годов в этой области случились подвижки - Хэмфри Гэйнсборо создал усовершенствованную паровую машину , которая, однако, не получила заметного распространения. А совершить настоящую революцию в этой области было суждено шотландскому инженеру и изобретателю Джеймсу Уатту.
В 1765 году Уатт выдвинул идею о том, что не надо охлаждать цилиндр, а лучше использовать именно силу давления пара, а не вакуум. Уже в 1769 году он получил патент на это изобретение, однако сама машина новой конструкции была создана только в 1776 году - у Уатта в то время было туго с деньгами и ему просто-напросто не на что было реализовывать свои идеи.
Но самое главное изобретение Джеймса Уатта, сделавшее его знаменитым, появилось только в 1781 году: именно тогда инженер создал паровую машину, способную выполнять любую работу . Это стало возможным благодаря преобразованию возвратно-поступательного движения поршня во вращение маховика с помощью так называемого планетарного механизма. А в 1784 году паровая машина Уатта приобрела окончательный вид - в ней появились более удобный и простой кривошипно-шатунный механизм и множество мелких усовершенствований. Именно эта разработка и стала называться универсальной паровой машиной , и не зря: машина вскоре появилась на фабриках и заводах, а в начале ХIХ века двигатели системы Уатта были поставлены на первые паровоз и пароход.
Интересно, что действующая паровая машина (и даже не одна) была создана и в России - это всем известные машины Ивана Ползунова, построенные в период с 1763 по 1766 год. Первые двигатели Ползунова показывали хорошие результаты, и в 1764 году было начато строительство большой паровой машины для металлолитейного завода. Строительство закончилось в 1766 году, а пуск произведен уже после смерти изобретателя. К сожалению, паровая машина Ползунова проработала всего 42 дня - после поломки она перестала использоваться, а через какое-то время была демонтирована.
Как видно, история паровых машин не начинается с открытия Джеймса Уатта, однако именно этот изобретатель создал по-настоящему эффективную и удобную машину, оказавшую огромное влияние на развитие промышленности и техники. За эти заслуги в 1882 году именем Уатта стала называться единица мощности, известная нам как ватт.
Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях , локомотивах , на паровых судах, тягачах , паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Позднее паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания , паровыми турбинами , электромоторами и атомными реакторами , КПД которых выше.
Паровая машина в действии
Изобретение и развитие
Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном из Александрии в первом столетии - это так называемая «баня Герона», или «эолипил». Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Предполагается, что преобразование пара в механическое движение было известно в Египте в период римского владычества и использовалось в несложных приспособлениях.
Первые промышленные двигатели
Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Сейвери в 1698 году . На своё устройство Сейвери в 1698 году получил патент. Это был поршневой паровой насос, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы двигателя иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его «другом рудокопа».
Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель», который был первым паровым двигателем, на который мог быть коммерческий спрос. Это был усовершенствованный паровой двигатель Сейвери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Ньюкомен, возможно, базировался на описании экспериментов Папена, находящихся в Лондонском королевском обществе , к которым он мог иметь доступ через члена общества Роберта Гука , работавшего с Папеном.
Схема работы паровой машины Ньюкомена.
– Пар показан лиловым цветом, вода - синим.
– Открытые клапаны показаны зелёным цветом, закрытые - красным
Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Клапаны ранних двигателей Ньюкомена открывались и закрывались вручную. Первым усовершенствованием было автоматизация действия клапанов, которые приводились в движение самой машиной. Легенда рассказывает, что это усовершенствование было сделано в 1713 году мальчиком Хэмфри Поттером, который должен был открывать и закрывать клапаны; когда это ему надоедало, он связывал рукоятки клапанов верёвками и шёл играть с детьми. К 1715 году уже была создана рычажная система регулирования, приводимая от механизма самого двигателя.
Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.
Хэмфри Гэйнсборо в 1760-ых годах построил модель паровой машины с конденсатором. В 1769 году шотландский механик Джеймс Уатт (возможно, использовав идеи Гейнсборо) запатентовал первые существенные усовершенствования к вакуумному двигателю Ньюкомена, которые сделали его значительно более эффективным по расходу топлива. Вклад Уатта заключался в отделении фазы конденсации вакуумного двигателя в отдельной камере, в то время как поршень и цилиндр имели температуру пара. Уатт добавил к двигателю Ньюкомена ещё несколько важных деталей: поместил внутрь цилиндра поршень для выталкивания пара и преобразовал возвратно-поступательное движения поршня во вращательное движение приводного колеса.
На основе этих патентов Уатт построил паровой двигатель в Бирмингеме . К 1782 году паровой двигатель Уатта оказался более чем в 3 раза производительнее машины Ньюкомена. Повышение эффективности двигателя Уатта привело к использованию энергии пара в промышленности. Кроме того, в отличие от двигателя Ньюкомена, двигатель Уатта позволил передать вращательное движение, в то время как в ранних моделях паровых машин поршень был связан с коромыслом, а не непосредственно с шатуном. Этот двигатель уже имел основные черты современных паровых машин.
Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления (американец Оливер Эванс и англичанин Ричард Тревитик). Р.Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм , или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования.
Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: "fardier à vapeur" (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем . Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход , построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7-8 миль в час . Пароход Дж. Фитча не был коммерчески успешным, поскольку с его маршрутом конкурировала хорошая сухопутная дорога. В 1802 году шотландский инженер Уильям Симингтон построил конкурентоспособный пароход, а в 1807 году американский инженер Роберт Фултон использовал паровой двигатель Уатта для привода первого коммерчески успешного парохода. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив , построенный Ричардом Тревитиком.
Паровые машины с возвратно-поступательным движением
Двигатели с возвратно-поступательным движением используют энергию пара для перемещения поршня в герметичной камере или цилиндре. Возвратно-поступательное действие поршня может быть механически преобразовано в линейное движение поршневых насосов или во вращательное движение для привода вращающихся частей станков или колёс транспортных средств.
Вакуумные машины
Ранние паровые машины назывались вначале «огневыми машинами», а также «атмосферными » или «конденсирующими» двигателями Уатта. Они работали на вакуумном принципе и поэтому известны также как «вакуумные двигатели». Такие машины работали для привода поршневых насосов , во всяком случае, нет никаких свидетельств о том, что они использовались в иных целях. При работе паровой машины вакуумного типа в начале такта пар низкого давления впускается в рабочую камеру или цилиндр. Впускной клапан после этого закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. В двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр, и конденсат сбегает в сборник конденсата. Таким образом создаётся вакуум в цилиндре. Атмосферное давление в верхней части цилиндра давит на поршень, и вызывает его перемещение вниз, то есть рабочий ход.
Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. В году появилась версия паровой машины, созданная Уаттом в сотрудничестве с Мэттью Боултоном, основным нововведением которой стало вынесение процесса конденсации в специальную отдельную камеру (конденсатор). Эта камера помещалась в ванну с холодной водой, и соединялась с цилиндром трубкой, перекрывающейся клапаном. К конденсационной камере была присоединена специальная небольшая вакуумная помпа (прообраз конденсатного насоса), приводимая в движение коромыслом и служащая для удаления конденсата из конденсатора. Образовавшаяся горячая вода подавалась специальным насосом (прообразом питательного насоса) обратно в котёл. Ещё одним радикальным нововведением стало закрытие верхнего конца рабочего цилиндра, в верхней части которого теперь находился пар низкого давления. Этот же пар присутствовал в двойной рубашке цилиндра, поддерживая его постоянную температуру. Во время движения поршня вверх этот пар по специальным трубкам передавался в нижнюю часть цилиндра, для того, чтобы подвергнуться конденсации во время следующего такта. Машина, по сути, перестала быть «атмосферной», и её мощность теперь зависела от разницы давлений между паром низкого давления и тем вакуумом, который удавалось получить. В паровой машине Ньюкомена смазка поршня осуществлялась небольшим количеством налитой на него сверху воды, в машине Уатта это стало невозможным, поскольку в верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку смесью тавота и нефти. Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.
Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничение их эффективности, были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII века . Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора. Максимальный теоретический КПД был ограничен относительно малой разницей температур по обе стороны поршня; это делало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими.
Сжатие
Выпускное окно цилиндра паровой машины перекрывается несколько раньше, чем поршень доходит до своего крайнего положения, что оставляет в цилиндре некоторое количество отработанного пара. Это означает, что в цикле работы присутствует фаза сжатия, формирующая так называемую «паровую подушку» , замедляющую движение поршня в его крайних положениях. Кроме того, это устраняет резкий перепад давления в самом начале фазы впуска, когда в цилиндр поступает свежий пар.
Опережение
Описанный эффект «паровой подушки» усиливается также тем, что впуск свежего пара в цилиндр начинается несколько раньше, чем поршень достигнет крайнего положения, то есть присутствует некоторое опережение впуска. Это опережение необходимо для того, чтобы перед тем, как поршень начнёт свой рабочий ход под действием свежего пара, пар успел бы заполнить то мёртвое пространство, которое возникло в результате предыдущей фазы, то есть каналы впуска-выпуска и неиспользуемый для движения поршня объем цилиндра.
Простое расширение
Простое расширение предполагает, что пар работает только при расширении его в цилиндре, а отработанный пар выпускается напрямую в атмосферу или поступает в специальный конденсатор. Остаточное тепло пара при этом может быть использовано, например, для обогрева помещения или транспортного средства, а также для предварительного подогрева воды, поступающей в котёл.
Компаунд
В процессе расширения в цилиндре машины высокого давления температура пара падает пропорционально его расширению. Поскольку теплового обмена при этом не происходит (адиабатический процесс), получается, что пар поступает в цилиндр с большей температурой, чем выходит из него. Подобные перепады температуры в цилиндре приводят к снижению эффективности процесса.
Один из методов борьбы с этим перепадом температур был предложен в 1804 году английским инженером Артуром Вульфом, который запатентовал Компаундную паровую машину высокого давления Вульфа . В этой машине высокотемпературный пар из парового котла поступал в цилиндр высокого давления, а после этого отработанный в нем пар с более низкой температурой и давлением поступал в цилиндр (или цилиндры) низкого давления. Это уменьшало перепад температуры в каждом цилиндре, что в целом снижало температурные потери и улучшало общий коэффициент полезного действия паровой машины. Пар низкого давления имел больший объём, и поэтому требовал большего объёма цилиндра. Поэтому в компаудных машинах цилиндры низкого давления имели больший диаметр (а иногда и большую длину) чем цилиндры высокого давления.
Такая схема также известна под названием «двойное расширение», поскольку расширение пара происходит в две стадии. Иногда один цилиндр высокого давления был связан с двумя цилиндрами низкого давления, что давало три приблизительно одинаковых по размеру цилиндра. Такую схему было легче сбалансировать.
Двухцилиндровые компаундные машины могут быть классифицированы как:
- Перекрёстный компаунд - Цилиндры расположены рядом, их паропроводящие каналы перекрещены.
- Тандемный компаунд - Цилиндры располагаются последовательно, и используют один шток.
- Угловой компаунд - Цилиндры расположены под углом друг к другу, обычно 90 градусов, и работают на один кривошип.
После 1880-х годов компаундные паровые машины получили широкое распространение на производстве и транспорте и стали практически единственным типом, используемым на пароходах. Использование их на паровозах не получило такого широкого распространения, поскольку они оказались слишком сложными, частично из-за того, что сложными были условия работы паровых машин на железнодорожном транспорте . Несмотря на то, что компаундные паровозы так и не стали массовым явлением (особенно в Великобритании, где они были очень мало распространены и вообще не использовались после 1930-х годов), они получили определённую популярность в нескольких странах.
Множественное расширение
Упрощённая схема паровой машины с тройным расширением.
Пар высокого давления (красный цвет) от котла проходит через машину, выходя в конденсатор при низком давлении (голубой цвет).
Логичным развитием схемы компаунда стало добавление в неё дополнительных стадий расширения, что увеличивало эффективность работы. Результатом стала схема множественного расширения, известная как машины тройного или даже четверного расширения. Такие паровые машины использовали серии цилиндров двойного действия, объем которых увеличивался с каждой стадией. Иногда вместо увеличения объёма цилиндров низкого давления использовалось увеличение их количества, так же, как и на некоторых компаундных машинах.
Изображение справа показывает работу паровой машины с тройным расширением. Пар проходит через машину слева направо. Блок клапанов каждого цилиндра расположен слева от соответствующего цилиндра.
Появление этого типа паровых машин стало особенно актуальным для флота, поскольку требования к размеру и весу для судовых машин были не очень жёсткими, а главное, такая схема позволяла легко использовать конденсатор, возвращающий отработанный пар в виде пресной воды обратно в котёл (использовать солёную морскую воду для питания котлов было невозможно). Наземные паровые машины обычно не испытывали проблем с питанием водой и потому могли выбрасывать отработанный пар в атмосферу. Поэтому такая схема для них была менее актуальной, особенно с учётом её сложности, размера и веса. Доминирование паровых машин множественного расширения закончилось только с появлением и широким распространением паровых турбин. Однако в современных паровых турбинах используется тот же принцип разделения потока на цилиндры высокого, среднего и низкого давления.
Прямоточные паровые машины
Прямоточные паровые машины возникли в результате попытки преодолеть один недостаток, свойственный паровым машинам с традиционным парораспределением. Дело в том, что пар в обычной паровой машине постоянно меняет направление своего движения, поскольку и для впуска и для выпуска пара применяется одно и то же окно с каждой стороны цилиндра. Когда отработанный пар покидает цилиндр, он охлаждает его стенки и парораспределительные каналы. Свежий пар, соответственно, тратит определённую часть энергии на их нагревание, что приводит к падению эффективности. Прямоточные паровые машины имеют дополнительное окно, которое открывается поршнем в конце каждой фазы, и через которое пар покидает цилиндр. Это повышает эффективность машины, поскольку пар движется в одном направлении, и температурный градиент стенок цилиндра остается более или менее постоянным. Прямоточные машины одинарного расширения показывают примерно такую же эффективность, как компаундные машины с обычным парораспределением. Кроме того, они могут работать на более высоких оборотах, и потому до появления паровых турбин часто применялись для привода электрогенераторов, требующих высокой скорости вращения.
Прямоточные паровые машины бывают как одинарного, так и двойного действия.
Паровые турбины
Паровая турбина представляет собой серию вращающихся дисков, закрепленных на единой оси, называемых ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закрепленных на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в нее подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии . Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения).
Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания.
Другие типы паровых двигателей
Применение
Паровые машины могут быть классифицированы по их применению следующим образом:
Стационарные машины
Паровой молот
Паровая машина на старой сахарной фабрике, Куба
Стационарные паровые машины могут быть разделены на два типа по режиму использования:
- Машины с переменным режимом, к которым относятся машины металлопрокатных станов , паровые лебёдки и подобные устройства, которые должны часто останавливаться и менять направление вращения.
- Силовые машины, которые редко останавливаются и не должны менять направление вращения. Они включают энергетические двигатели на электростанциях , а также промышленные двигатели, использовавшиеся на заводах, фабриках и на кабельных железных дорогах до широкого распространения электрической тяги. Двигатели малой мощности используются на судовых моделях и в специальных устройствах.
Паровая лебёдка в сущности является стационарным двигателем, но установлена на опорной раме, чтобы её можно было перемещать. Она может быть закреплена тросом за якорь и передвинута собственной тягой на новое место.
Транспортные машины
Паровые машины использовались для привода различных типов транспортных средств, среди них:
- Сухопутные транспортные средства:
- Паровой автомобиль
- Паровой трактор
- Паровой экскаватор, и даже
- Паровой самолёт.
В России первый действующий паровоз был построен Е. А. и М. Е. Черепановыми на Нижне-Тагильском заводе в 1834 году для перевозки руды. Он развивал скорость 13 вёрст в час и перевозил более 200 пудов (3,2 тонны) груза. Длина первой железной дороги составляла 850 м.
Преимущества паровых машин
Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового Океана на разных глубинах.
Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга , которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.
Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов.
В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) -х годов, со множеством современных усовершенствований, таких, как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т.д. В результате такие паровозы имеют на 60% меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами.
Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса.
Коэффициент полезного действия
Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определён как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты , содержащейся в топливе . Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла. КПД тепловой машины равен
