Определение
Паровая машина - двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.
Изобретение...
История изобретения паровых машин начинает свой отсчет еще с первого столетия нашей эры. Нам становится известно устройство, описанное Героном Александрийским, и приводимое в действие паром. Пар, выходящий из сопл по касательной, закреплённых на шаре, заставлял двигатель вращаться. Настоящая же паровая турбина была изобретена в средневековом Египте гораздо позднее. Ее изобретателем является арабский философ, астроном и инженер 16 века Таги-аль-Диноме. Вертел с лопастями начинал вращаться благодаря потокам пара, направленным на него. В 1629 г. подобное решение было предложено итальянским инженером Джованни Бранка. Главным минусом этих изобретений было то, что потоки пара были рассеивающимися, а это безусловно приводит к большим потерям энергии.
Дальнейшее развитие паровых машин, не могло происходить без подобающих условий. Необходимо было и экономическое благополучие и необходимость данных изобретений. Естественно этих условий не было и не могло быть до 16 века, в виду столь низкого уровня развития. В конце 17 века была создана пара экземпляров сих изобретений, но серьезно воспринята не была. Создателем первой является испанец Аянс де Бомонт. Эдвард Сомерсет - ученый из Англии в 1663 году опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан. Но поскольку все новое трудно воспринимается человеком, то финансировать данный проект никто не решился. Создателем парового котла считается француз Дени Папен. В ходе проведения опытов по вытеснению воздуха из цилиндра, посредством взрыва пороха, он выяснил, что полный вакуум можно получить только с помощью кипящей воды. А чтобы цикл был автоматический, необходимо чтобы пар производился отдельно в котле. Папену приписывают изобретение лодки, которое приводилось в движение посредством реактивной силы в комбинации концепций Таги-аль-Дина и Севери; также его изобретением считается предохранительный клапан.
Все описанные устройства не были использованы и признаны практичными. Даже «пожарная установка», которую в 1698 году сконструировал Томас Севери, прослужила не долго. Из-за высокого давления создаваемого паром в емкостях с жидкостями, они часто взрывались. Поэтому его изобретение посчитали небезопасным. В свете всех этих неудач история изобретения паровых машин могла бы прерваться, но нет.
Превью - увеличение по клику.
На картинках изображен паровой тягач Куньо. Как можно заметить, он был очень громоздким и неудобным в управлении.
Английским кузнец, Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Он представлял собой усовершенствованную модель парового двигателя Севери. Он получил свое применение в качестве откачки воды из шахт. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, подававшему воду вверх. Двигатель Ньюкомена был популярен и пользовался спросом. Именно с появлением данного двигателя принято связывать начало английской промышленной революции. В России первая вакуумная машина была спроектирована И.И.Ползуновым в 1763 году, а через год проект был воплощен в жизнь. Она приводила в действие воздуходувные меха на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах. Идея Оливера Эванса и Ричарда Тревитика, о использовании паров высокого давления, принесла значительные результаты. Р.Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Не смотря на увеличение эффективности, так же возросло количество случаев взрывов котлов, которые не выдерживали огромного давления. Поэтому принято было использовать предохранительный клапан, для выпуска излишнего давления.
Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо продемонстрировал в 1769 году первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровая телега). Его изобретение можно посчитать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор используемый в качестве мобильного источника механической энергии показал свою эффективность, он приводил в движение различные СХ машины. В 1788 году был построен, Джоном Фитчем пароход, который осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией и Берлингтоном. Он обладал вместимостью всего 30 человек, а передвигался со скоростью до 12 км/ч. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе был продемонстрирован первый самоходный железнодорожный паровой поезд, который был построен Ричардом Тревитиком.
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.
Все мировые концерны готовятся начать массовое производство электромобилей, которые должны заменить вонючие авто с двигателями внутреннего сгорания.
Но кроме электро и бензо двигателя, человечество знает паровые двигатели и знает их уже несколько веков.
Об этих незаслуженно забытых помощниках человека мы сегодня и поговорим.
Первый паровой двигатель
19 век? А может в 18 веке был создан первый паровой двигатель? Не гадай, не угадаешь. В первом века до нашей эры, т.е. более 2 тысяч лет назад греческим инженером Героном Александрийским был создан первый в истории человечества паровой двигатель.
Двигатель представлял собой шар, который вращался вокруг своей оси под действием выходящего из него пара. Правда, древние греки с трудом понимали суть процесса, поэтому развитие этой технологии замерло на почти на 1500 лет…
Паровая игрушка императора
Фердинанд Вербст, член иезуитской общины в Китае, построил первый автомобиль на паровом ходу около 1672 года как игрушку для китайского императора. Автомобиль был небольшого размера и не мог везти водителя или пассажира, но, возможно, он был первым работающим паровым транспортом («автомобиль»). Но это был первый паромобиль в истории человечества, пускай и игрушечный.
Проект Ньютона
Известные ученые также рассматривали идею «оседлать» силу пара и создать самодвижущийся экипаж. Одним из известных таких проектов был проект экипажа Исаака Ньютона. Экипаж представлял из себя телегу, оснащённую паровым котлом с соплом, через которое с помощью клапана машинист мог стравливать пар, тем самым разгоняя телегу. Но великий ученый так и не реализовал свой проект, паромобиль Ньютона остался на бумаге.
Томас Ньюкмен и его машина по откачиванию грунтовых вод
Первым устройством, примененным на практике, стал двигатель Ньюкмена. Британец Томас Ньюкмен сконструировал паровой двигатель, который был похож на современные двигатели. Цилиндр и поршень, который двигался в нем под воздействием парового давления. Пар вырабатывался в котле огромного размера, что и не позволило использовать данную машину иным образом, как машину для откачивания грунтовых вод.
Джеймс Уатт
Шотландец Джеймс Уатт взялся усовершенствовать машину Ньюксмена. Он заметил, что для сокращения потребления угля необходимо постоянно поддерживать в цилиндре высокую температуру, а также приладил к машине конденсатор, где собирался отработанный пар, который впоследствии превращался в воду и при помощи помпы вновь направлялся в котел. Все это позволило бы поставить двигатель на раму и создать первый паромобиль, но Уатт считал опасным такой вид транспорта и не стал заниматься дальнейшей разработкой. Более того, конструктор получил патент на свою машину, что стало препятствием для других конструкторов в работе над первым паромобилем.
Еще не автомобиль, но уже телега
Создателем первого самодвижущегося транспортного средства стал француз Николя-Жозеф Кюньо. В 1769 году изобретатель создал трехколесную повозку – «малую телегу Кюньо», которую также называли «Фардье». По задумке автора, это странное транспортное средство должно было использоваться для перевозки пушек. Еще не автомобиль, но уже самоходная телега.
Только телега Кюньо обладала массой недостатков. Вес двигателя составлял около тонны, поэтому телегой с трудом управляли два человека. Еще одним недостатком малой телеги Кюньо оказался низкий запас хода - всего один километр. Дозаправка в виде воды в котле, разведение костра на дороге, куда переносился котел, были слишком долгой и сложной процедурой. Скорость тоже желала быть лучше, всего-навсего 4 км/час.
Но у телеги были и достоинства. Грузоподъёмность составила две тонны, что крайне понравилось генералам французского штаба, которые выделили Кюнью 20 тысяч франков для дальнейшей работы над телегой.
Полученные средства конструктор применил с пользой и вторая версия телеги уже передвигалась со скоростью до 5-7 километров в час, а установленная под котлом топка позволила поддерживать температуру на ходу, а не останавливаться каждый 15 минут для разжигания костра.
Этот зародыш будущего автомобиля совершил первое в истории ДТП. У телеги заклинило колесо и она протаранила стену дома.
Несмотря на успехи Кюньо, работы были приостановлены по банальной причине: закончились деньги. Но на радость нам телега французского конструктора сохранилась до сих пор и мы можем увидеть ее воочию.
Паровой велосипед Роупера
Изобретатели находились в состоянии постоянного поиска. Если Кюньо двигался по пути создания автомобиля, то американец Сильвестр Говард Роупер взялся создавать будущий мотоцикл. Правильнее было бы сказать паровой велосипед.
Роупер разместил паровой двигатель под сиденьем, выход пара осуществлялся прямо за седлом. Управление скоростью осуществлялось при помощи ручки на руле. Поворачивая ее от себя, водитель увеличивал скорость, поворачивая в обратном направлении, осуществлялось торможение.
Поездки Роупера на первом байке вызывали шок и возмущение окружающих, ну совсем как мы сейчас возмущаемся шумными мотоциклам. На Роупера даже пожаловались в полицию. Изобретателя спасло от тюрьмы и штрафа лишь отсутствие закона, который бы запрещал ездить на правом велосипеде.
И совсем, как современные байкеры, Роупер, гоняя на своем паровом байке, разбился.
Паровая амфибия
Oruktor Amphibolos, первая машина-амфибия была разработана в 1804 году американским изобретателем Оливером Эвансом. На корпусе в форме лодки были установлены 4 колеса и гребное колесо на корме. Это была машина-гигант: девять метров длина и вес в 15 тонн.
Омнибус Enterprise
Недостатком всех первых паровых машин было малая грузоподъемность и низкая скорость. Лошадиные повозки (омнибусы) были быстрее самой быстрой паровой машины. Инженеры вступили в борьбу с лошадиными силами.
Первую машину на восемь человек сконструировал Ричард Тревитик. Но машина Ричарда не заинтересовала инвесторов. Через тридцать лет Вальтер Хэнкок принял эстафету и создал первый паровой омнибус, получивший название Enterprise. Тонна воды, двухцилиндровый двигатель, скорость 32 километра в час и запас хода до 32 километров. Это даже позволило использовать Enterpriseкак коммерческий транспорт. И это уже был успех изобретателей - по улицам поехал первый автобус.
Первая машина
Первая паровая машина, которая была похожа не на тележку с кастрюлей, а на обычный автомобиль, была сконструирована братьями Абнером и Джоном Доблов. Машина Доблов имела уже многие знакомые нам узлы, но об позже.
Еще будучи студентов Абнер приступил в 1910 году к разработке паровых машин в собственной мастерской. Что удалось братьям, так это снизить объем воды. Как ты помнишь, в Enterprise использовалось тонна воды. Модель Доблов на 90 литрах имела запас хода до полутора тысяч километров. Свои машины братья-изобретатели оснастили автоматической системой зажигания. Это сегодня мы поворотом ключа высекаем искру в двигателе. Система зажигания Доблов впрыскивала керосин в карбюратор, где он воспламенялся и подавался в камеру под бойлером. Необходимое давление водяного пара создавалось за рекордные по тем временам 90 секунд. 1,5 минуты и можно трогаться. Ты скажешь долго, но паровые машины других конструкторов трогались через 10 и даже 30 минут.
Выставленный образец машины Долбов на выставке в Нью-Йорке вызвал фурор. Только в течение выставки братья собрали заказов на 5500 автомобилей. Но тут началась Первая мировая война, вызывавшая кризис и нехватку металла в стране, и о производстве пришлось на время забыть.
После войны Доблы представили на мнение публики новую усовершенствованную модель парового автомобиля. Необходимое давление в бойлере достигалось через 23 секунды, скорость 160 километров в час, а за 10 секунд автомобиль разгонялся до 120 километров в час. Единственным, наверное, недостатком автомобиля была его цена. Нереальные для тех времен 18 тысяч долларов. Величайший паромобиль в истории человечества был выпущен в количестве всего 50 экземпляров.
Быстрее пара
Опять братья-изобретатели, на это раз братья Стенли, взялись за создание болида на кипящей воде. Их гоночная машина была готова к заезду в 1906 году. На флоридском пляже машина разогналась до 205,4 километра в час. На тот момент это был абсолютный рекорд, даже для авто с бензиновым двигателем. Вот вам и кастрюля на колесах.
Братьев только остановила травма одного из них, полученная в результате аварии на пароболиде. Рекорд скорости машины братьев Стенли был непревзойденным более века.
Inspiration
Следующий рекорд скорости был установлен 26 августа 2009 года на автомобиле Inspiration. Болид, больше похожий на истребитель, приводился в движение двумя турбинами, которые вращались благодаря пару, подаваемому под давлением в 40 бар из двенадцати высокоэффективных бойлеров. Под капотом этого аппарата спрятано 360 лошадиных сил, что позволяло разгоняться до 225 километров час.
ПароРоссия
Паровые автомобили, конечно, не могли пройти мимо России. Первой работающей на угле и воде отечественной моделью в 1830 году мог бы стать «Быстрокат» Казимира Янкевича. По расчетам конструктора эта паромашина могла разгоняться до скорости 32 километров в час. Но машина так и осталась на бумаге.
Первую паромашину создал талантливый русский крестьянин Федор Блинов. В 1879 году он получил патент «на особого устройства вагон с бесконечными рельсами для перевозки грузов по шоссейным и проселочным дорогам». Позже этот вагон превратилсь в гусеничный паровой трактор, который Блинов научил еще и поворачивать из-за разницы в крутящем моменте на каждой из гусениц. Но детище изобретателя не оценили, лишь выдали небольшую премию.
Первый российские паромобили стали выпускать на московском заводу «Дукс». Те кто, коллекционирует ретро-модели знает эту изящную машину «Локомобиль».
«Автомобили совершенно не шумят, чего до сих пор нельзя сказать про бензиновые. Даже электромобили, приводимые в движение электричеством, этой силой будущего, шумят (скорее, жужжат) более, чем паромобили «Дукс». Весь его механизм настолько прост и компактен, что помещается под сиденьем и не требует для своего размещения никаких выступающих частей, как, например, нос у бензомобилей, не имеет перемены передач, электрических батарей, магнето, легко ломающихся свечей, одним словом, всего того, что бывает причиной большинства поломок и хлопот у бензиновых автомобилей», – писал в начале прошлого века журнал «Автомобиль».
Быстро развивающиеся двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине, поставили точку в развитии паромобилей. Изобретатели пытались возродить эту технологию, но их идеи не находили поддержки.
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.
Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И.И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году в Барнауле. Джеймс Ватт, который был членом комиссии по приему изобретения Ползунова, в апреле 1784 года в Лондоне получает патент на паровую машину и считается ее изобретателем!
Ползунов, Иван Иванович
— механик, устроивший первую в России паровую машину; сын солдата Екатеринбургских горных рот, он десяти лет от роду поступил в Екатеринбургскую арифметическую школу, где кончил курс со званием механического ученика. В числе нескольких молодых людей, Ползунова отправили в Барнаул на казенные горные заводы, где в 1763 году он состоял шихтмейстером. Занимаясь постройкой употребляемых при плавильных заводах и рудниках машин с водяными двигателями, Ползунов обратил внимание на затруднительность устройства таких машин в местностях, удаленных от рек, и остановился на мысли применить, в качестве двигателя, пар. Есть некоторые данные, заставляющие предполагать, что мысль эта появилась у него не самостоятельно, а под влиянием книги Шлаттера: "Обстоятельное наставление рудному делу" (СПб. 1760), в десятой главе коей напечатано первое на русском языке описание паровой машины, а именно машины Ньюкомена. Ползунов энергично взялся за осуществление своей идеи, стал изучать силу и свойства водяного пара, составлял чертежи, делал модели. Убедившись, после продолжительных изысканий и опытов, в возможности заменить движущую силу воды силой пара и доказать это на моделях, Ползунов в апреле 1763 г. обратился к начальнику Колывано-Воскресенских заводов, генерал-майору А. И. Порошину, с письмом, в котором, изложив мотивы, побудившие его к отысканию новой силы, испрашивал средства на постройку изобретенной им "огненной машины". О проекте Ползунова донесено было Кабинету Ее Величества с ходатайством об отпуске нужной на постройку машины суммы. По докладу Кабинета, последовал указ Екатерины II, коим она, "для вящего поощрения", пожаловала Ползунова в механикусы с жалованьем и чином инженерного капитан-поручика, повелела выдать в вознаграждение 400 р. и указала, "буде он при заводах не надобен, прислать его в Петербург, при серебре" года на два — на три в Академию Наук, для пополнения образования. Но начальство не отпустило Ползунова и просило посылку его в Академию Наук на некоторое время отменить, "ибо в нем здесь, для приведения той, парами действуемой машины практикой состоять крайняя надобность". Ввиду этого Ползунову приходилось остаться в Сибири до окончания дела. До тех же пор была отложена и выдача вышеупомянутых 400 рублей. Ему были отпущены, по представленной им смете, необходимые суммы и материалы, и он получил возможность приступить к постройке. 20-го мая 1765 г. Ползунов уже доносил, что подготовительные работы окончены, и что машина будет приведена в действие в октябре того же года. Но к этому сроку машина не была готова. Масса непредвиденных затруднений и неопытность рабочих замедлили ход работы. К тому же многих материалов, необходимых для постройки машины, нельзя было достать в Сибири. Приходилось выписывать их из Екатеринбурга и ожидать присылки в течение нескольких месяцев. В декабре 1765 г. Ползунов окончил машину, израсходовав на нее 7435 р. 51 коп. Однако, ему не удалось увидеть свое изобретение в деле. Проба машины была назначена в Барнауле на 20-ое мая 1766 г., а 16-го мая того же года Ползунов уже скончался "от жестокого гортанного кровотечения". Машина Ползунова, под руководством его учеников Левзина и Черницина, в течение двух месяцев расплавила в Барнауле 9335 п. змеиногорских руд, но вскоре действие ее в Барнауле было прекращено "за ненадобностью", и нет сведений, была ли она применена на не обладавших вододействующими двигателями Змеиногорском заводе и Семеновском руднике, куда она первоначально предназначалась самим изобретателем и его начальством, В 1780 г. "построенная Ползуновым, действуемая парами машина и строение разломаны". В Барнаульском горном музее имеется модель машины Ползунова. За Ползуновым нельзя признать, как то делают некоторые, чести изобретения первой паровой машины. Тем не менее машина Ползунова, действительно, была первая, построенная в России, а не выписанная из-за границы, паровая машина; применение же в 1765 г. паровой машины не для подъема воды, а для другой промышленной цели, следует считать самостоятельным изобретением, так как и в Англии первое применение паровой машины для нагнетания воздуха сделано лишь в 1765 г.
