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.
Паровая машина стала первым механическим двигателем, для которого нашлось широкое практическое применение. Первые поршневые паровые машины начали вначале применяться на фабричном производстве, а позднее их смогли соединить с колёсами и получить самодвижущиеся машины:
Основной принцип действия любой паровой машины заключается в том, что энергия горячего пара преобразуется в механическую энергию, которая может быть:
А полученная механическая энергия может уже использоваться для полезных целей. Принцип работы паровой машины был понятен ещё древним грекам, но в тёмные века люди о нём прочно забыли. Вновь интерес к этой проблеме возродился только в 17-м веке. Итальянец Джованни Бранка в 1629 году предложил модель собственной паровой турбины. Но из-за недопустимо больших потерь энергии эта первая паровая машина в мире практического применения не нашла.
Этот француз – медик по образованию, переехал в 1675 году в Англию, где отметился целым рядом изобретений. Так, им изобретён «папенов котёл» – прообраз современной пароварки. Папен смог заметить взаимосвязь между ростом давления и температуры кипения жидкости. Он смог соорудить герметичный котёл, где поддерживалось повышенное давление. В результате этого вода в нём закипала при повышенной температуре, а продукты стало возможно готовить при температуре выше 100 градусов, что ускоряло процесс приготовления пищи.
Накануне переезда в Туманный Альбион Папен изобрёл пороховой двигатель. Сгорающий в цилиндре порох толкал поршень. Образовавшиеся пороховые газы удалялись через клапан, а оставшиеся остывали, благодаря чему в цилиндре возникало лёгкое разрежение, и давление атмосферы возвращало на место поршень.
По подобному же принципу Папен создал в 1698 году аналогичный двигатель, но уже на воде. Это фактически была первая паровая машина.
Несмотря на то, что сама идея сулила немалые выгоды, своему автору она дивидендов не принесла. Дело в том, что несколько раньше Сейвери (английский механик) запатентовал свой паровой насос, что было на тот момент единственным способом применения для паровой машины. Так вышло, что изобретатель первой паровой машины Дени Папен умер в 1714 году в Лондоне, будучи бедным и одиноким.
Машина Томаса Ньюкомена
Больших барышей смог добиться этот предприимчивый англичанин. Ему было 35 лет, когда создавалась машина Папена. Ньюкомен тщательно изучил наследие Папена и Сейвери и отметил недостатки обеих моделей, а сильные идеи взял на вооружение. Сотрудничая со специалистом по водопроводам и стеклу Д. Калли, Ньюкомен создал к 1712 году первую свою модель, продолжив историю создания паровых машин. Её принципиальная работа выглядела так:
- в конструкции был вертикальный цилиндр с поршнем (от Папена);
- пар генерировался в отдельном котле, который действовал по принципу изобретения Сэйвери;
- герметичность паровому цилиндру обеспечивала обтягивающая поршень кожа.
Нагнетая давление, устройство Ньюкомена поднимало из шахт воду. Но оно было очень громоздкое и чрезвычайно прожорливое на уголь. Но эти недостатки не помешали полувековой эксплуатации данного изобретения на шахтах. Благодаря нему стало возможно реанимировать ранее заброшенные из-за подтопления грунтовой водой шахты. Но поскольку его машина была компиляцией ранних изобретений, то Ньюкомен патента на неё получить не смог.
Машина Уатта
Решающий шаг смог сделать британец Джеймс Уатт, благодаря усилиям которого появилась достаточно мощная и компактная первая поршневая паровая машина. Будучи механиком университета Глазго, Уатт в 1763 году взялся за починку паровой машины Ньюкомена. В процессе ремонта он придумал способ сокращения её прожорливости – её цилиндр нужно было поддерживать в нагретом состоянии.
Но требовалось решить ещё проблему конденсации пара. Решение он уловил, проходя мимо прачечных, из-под крышек котлов которых валили пар. Он сообразил, что пар является газом, который и следует запустить в цилиндр с пониженным давлением. Он добился герметичности системы поршень-цилиндр путём обмотки первого промасленной пеньковой верёвкой, после чего стал возможным отказ от атмосферного давления – заметный шаг вперёд.
В 1769 году Уатт запатентовал паровую машину, в которой температура пара и важнейших деталей была одинаковой.
Видео о первой паровой машине Джеймса Уатта
Но в жизни Уатту везло меньше, и патент ему пришлось заложить за долги. Через 3 года он познакомился с богатым промышленником Мэттью Болтоном, который выкупил для Уатта его патенты. Под его опекой Уатт вернулся к работе. Уже в 1773 году новая модель Уатта на испытаниях продемонстрировала гораздо меньшее потребление угля, чем требовали её предшественники. А ещё через год Англия начала промышленный выпуск машин Уатта. В 1781 году Уатт запатентовал паровую машину, которая приводила в действие промышленные станки. Ещё чуть позднее эти же технологии стали использоваться для движения пароходов и поездов, что станет подлинной технической революцией.
Нам не менее дорог Иван Ползунов – русский изобретатель первой паровой машины, которая была способна приводить в действие многие рабочие механизмы. Причём, сделал он это изобретение раньше Уайта – в 1763 году, работая на алтайских горнорудных заводах. Он ознакомил со своим проектом начальника заводов, а тот получил из столицы добро на сборку агрегата. Ползунову приказали построить большую машину.
Эта работа заняла 21 месяц, но когда она была почти готова, болевший чахоткой изобретатель умер, не дожив нескольких дней до её первых испытаний. Паровая машина Ползунова могла работать беспрерывно и в автоматическом режиме. Это было доказано в результате испытаний, проведённых в 1766 году учениками Ползунова. А через месяц машина уже начала трудиться, не только окупив все затраты на своё создание, но и принеся владельцам прибыль.
Как Вы считаете, кого можно назвать первым изобретателем паровой машины? Расскажите об этом в
Вплоть до второй половины XVIII века люди использовали для нужд производства в основном водяные двигатели. Так как передавать механическое движение от водяного колеса на большие расстояния невозможно, все фабрики приходилось строить на берегах рек, что не всегда было удобно. Кроме того, для эффективной работы такого двигателя часто требовались дорогостоящие подготовительные работы (устройство прудов, строительство плотин и тому подобное). Были у водяных колес и другие недостатки: они имели малую мощность, работа их зависела от времени года и с трудом поддавалась регулировке. Постепенно стала остро ощущаться нужда в принципиально новом двигателе: мощном, дешевом, автономном и легкоуправляемом. Именно таким двигателем на целое столетие стала для человека паровая машина.
Паровамя машимна -- тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу возвратно-поступательного движенияпоршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина -- любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.
Идея парового двигателя была отчасти подсказана его изобретателям конструкцией поршневого водяного насоса, который был известен еще во времена античности.
Принцип его работы был очень прост: при подъеме поршня вверх вода засасывалась в цилиндр через клапан в его дне. Боковой клапан, соединявший цилиндр с водоподъемной трубой, в это время был закрыт, так как вода из этой трубы так же стремилась войти внутрь цилиндра и тем самым закрывала этот клапан. При опускании поршня он начинал давить на воду в цилиндре, благодаря чему закрывался нижний клапан и открывался боковой. В это время вода из цилиндра подавалась вверх по водоподъемной трубе. В поршневом насосе работа, получаемая извне, расходовалась на продвижение жидкости через цилиндр насоса. Изобретатели паровой машины старались использовать ту же конструкцию, но только в обратном направлении. Цилиндр с поршнем лежит в основе всех паровых поршневых двигателей. Первые паровые машины, впрочем, были не столько двигателями, сколько паровыми насосами, используемыми для откачки воды из глубоких шахт. Принцип их действия основывался на том, что после своего охлаждения и конденсации в воду пар занимал пространство в 170 раз меньше, чем в разогретом состоянии. Если вытеснить из сосуда воздух разогретым паром, закрыть его, а потом охладить пар, давление внутри сосуда будет значительно меньше, чем снаружи. Внешнее атмосферное давление будет сжимать такой сосуд, и если в него поместить поршень, он будет двигаться внутрь с тем большей силой, чем больше его площадь.
Впервые модель такой машины была предложена в 1690 году Папеном. Дени Папен был ассистентом у Гюйгенса, а с 1688 г. профессором математики в Марбургском университете. У него возникла идея использовать для атмосферного двигателя форму полого цилиндра с движущимся в нем поршнем. Перед Папеном стояла задача заставить поршень совершать работу силой атмосферного давления. В 1690 г. был создан принципиально новый проект парового двигателя. Вода в цилиндре при нагревании превращалась в пар и двигала поршень вверх. Через специальный клапан пар выталкивал воздух, а при конденсации пара создавалось разреженное пространство; наружное давление двигало поршень вниз. Опускаясь, поршень тянул за собой веревку с грузом. Папен ставил цилиндр машины вертикально потому, что цилиндр-клапан не может в ином положении выполнять свою функцию. Двигатель Папена полезную работу выполнял плохо, так как не мог осуществить непрерывное действие. Чтобы заставить поршень поднимать груз, необходимо было манипулировать стержнем-клапаном и стопором, перемещать источник пламени и охлаждать цилиндр водой.
Совершенствование пароатмосферных машин продолжил Томас Севери. В 1698 году Томас Севери изобрел паровой насос для откачки воды из шахт. Его «друг рудокопов» работал без поршня. Всасывание воды происходило путем конденсации пара и создания разреженного пространства над уровнем воды в сосуде. Севери отделил котел от сосуда, где производилась конденсация. Эта паровая машина обладала низкой экономичностью, но все-таки нашла широкое применение.
Но наиболее широко применялась в первой половине XVIII века паровая машина Ньюкомена, созданная в 1711 году. Паровой цилиндр помещался у Ньюкомена над паровым котлом. Поршневой шток (стержень, соединенный с поршнем) был соединен гибкой связью с концом балансира. С другим концом балансира был соединен шток насоса. Поршень поднимался в верхнее положение под действием противовеса, прикрепленного к противоположному концу балансира. Кроме того, движению поршня вверх помогал пар, запускаемый в это время в цилиндр. Когда поршень находился в крайнем верхнем положении, закрывали кран, впускавший пар из котла в цилиндр, и вбрызгивали в цилиндр воду. Под действием этой воды пар в цилиндре быстро охлаждался, конденсировался, и давление в цилиндре падало. Вследствие создавшейся разницы давлений внутри цилиндра и вне его, силой атмосферного давления поршень двигался вниз, совершая при этом полезную работу -приводил в движение балансир, который двигал шток насоса. Таким образом, полезная работа выполнялась только при движении поршня вниз. Затем снова запускали пар в цилиндр. Поршень опять поднимался вверх, и весь цилиндр наполнялся паром. Когда снова вбрызгивали воду, пар снова конденсировался, после чего поршень совершал новое полезное движение вниз, и так далее. Фактически в машине Ньюкомена работу совершало атмосферное давление, а пар служил только для создания разряженного пространства.
В свете дальнейшего развития парового двигателя становится ясным основной недостаток машины Ньюкомена рабочий цилиндр в ней являлся в то же время и конденсатором. Из-за этого приходилось поочередно то охлаждать, то нагревать цилиндр и расход топлива оказывался очень велик. Бывали случаи, когда при машине находилось 50 лошадей, едва успевавших подвозить необходимое топливо. Коэффициент полезного действия (КПД) этой машины едва ли превышал 1%. Другими словами, 99% всей теплотворной энергии терялось бесплодно. Тем не менее эта машина получила в Англии распространение, особенно на шахтах, где уголь был дешевый. Последующие изобретатели внесли несколько усовершенствований в насос Ньюкомена. В частности, в 1718 году Бейтон придумал самодействующий распределительный механизм, который автоматически включал или отключал пар и впускал воду. Он же дополнил паровой котел предохранительным клапаном.
Но принципиальная схема машины Ньюкомена оставалась неизменна на протяжении 50 лет, пока ее усовершенствованием не занялся механик университета в Глазго Джемс Уатт. В 1763-1764 годах ему пришлось чинить принадлежавший университету образец машины Ньюкомена. Уатт изготовил небольшую ее модель и принялся изучать ее действие. При этом он мог использовать некоторые приборы, принадлежавшие университету, и пользовался советами профессоров. Все это позволило ему взглянуть на проблему шире, чем смотрели на нее многие механики до него, и он смог создать гораздо более совершенную паровую машину.
Работая с моделью, Уатт обнаружил, что при запускании пара в охлажденный цилиндр он в значительном количестве конденсировался на его стенках. Уатту сразу стало ясно, что для более экономичной работы двигателя целесообразнее держать цилиндр постоянно нагретым. Но как в этом случае конденсировать пар? Несколько недель он раздумывал, как разрешить эту задачу, и наконец сообразил, что охлаждение пара должно происходить в отдельном цилиндре, соединенном с главным короткой трубкой. Сам Уатт вспоминал, что однажды во время вечерней прогулки он проходил мимо прачечной и тут при виде облаков пара, вырывавшихся из окошка, он догадался, что пар, будучи телом упругим, должен устремляться в разряженное пространство. Как раз тогда ему пришла мысль, что машину Ньюкомена надо дополнить отдельным сосудом для конденсации пара. Простой насос, приводимый в движение самой машиной, мог удалять из конденсатора воздух и воду, так что при каждом ходе машины там бы могло создаваться разряженное пространство.
Вслед за тем Уатт внес еще несколько усовершенствований, в результате чего машина приняла следующий вид. К обеим сторонам цилиндра были подведены трубки: через нижнюю пар поступал внутрь из парового котла, через верхнюю отводился в конденсатор. Конденсатор представлял собой две жестяные трубки, стоявшие вертикально и сообщавшиеся между собой вверху короткой горизонтальной трубкой с отверстием, перекрывавшимся краном. Дно этих трубок было соединено с третьей вертикальной трубкой, которая служила воздушным отводным насосом. Трубки, составлявшие холодильник и воздушный насос, были помещены в небольшой цилиндр с холодной водой. Паровая трубка была соединена с котлом, из которого пар выпускался в цилиндр. Когда пар заполнял цилиндр, паровой кран закрывали и поднимали поршень воздушного насоса конденсатора, вследствие чего в трубках конденсатора получалось сильно разряженное пространство. Пар устремлялся в трубки и конденсировался там, а поршень поднимался вверх, увлекая за собой груз (так измеряли полезную работу поршня). Затем выпускной кран закрывали.
Несколько последующих лет Уатт упорно трудился над совершенствованием своего двигателя. В машину 1776 года по сравнению с конструкцией 1765 года было внесено несколько принципиальных улучшений. Поршень помещался внутри цилиндра, окруженный паровым кожухом (рубашкой). Благодаря этому была до минимума сокращена потеря тепла. Кожух сверху был закрыт, тогда как цилиндр -- открыт. Пар поступал в цилиндр из котла по боковой трубе. Цилиндр соединялся с конденсатором трубой, снабженной паровыпускным клапаном. Несколько выше этого клапана и ближе к цилиндру был размещен второй, уравновешивающий клапан. Когда оба клапана были открыты, пар, выпущенный из котла, наполнял все пространство над поршнем и под ним, вытесняя воздух по трубе в конденсатор. Когда клапаны закрывали, вся система продолжала оставаться в равновесии. Затем открывали нижний выпускной клапан, отделяющий пространство под поршнем от конденсатора. Пар из этого пространства направлялся в конденсатор, охлаждался здесь и конденсировался. При этом под поршнем создавалось разряженное пространство, и давление падало. Сверху же продолжал оказывать давление пар, поступавший из котла. Под его действием поршень спускался вниз и совершал полезную работу, которая при помощи балансира передавалась штоку насоса. После того как поршень опускался до своего крайнего нижнего положения, открывался верхний, уравновешивающий, клапан. Пар снова заполнял пространство над поршнем и под ним. Давление в цилиндре уравновешивалось. Под действием противовеса, расположенного на конце балансира, поршень свободно поднимался вверх (не выполняя при этом полезной работы). Затем весь процесс продолжался в той же последовательности.
Хотя эта машина Уатта, так же как и двигатель Ньюкомена, оставалась односторонней, она имела уже важное отличие -- если у Ньюкомена работу совершало атмосферное давление, то у Уатта ее совершал пар. Увеличивая давление пара, можно было увеличить мощность двигателя и таким образом влиять на его работу. Впрочем, это не устраняло основного недостатка такого типа машин - они совершали только одно рабочее движение, работали рывками и потому могли использоваться только как насосы. В 1775-1785 годах было построено 66 таких паровых двигателей.
Ползунов начал свою работу почти одновременно с Уаттом, но с иным подходом к проблеме двигателя и в совершенно других экономических условиях. Ползунов начинал с общеэнергетической постановки задачи о полной замене зависящих от локальных условий гидросиловых установок универсальным тепловым двигателем, но не смог реализовать свои смелые планы в крепостной России.
В 1763 г. И.И. Ползунов разработал детальный проект парового двигателя мощностью в 1,8 л.с., а в 1764 г. вместе со своими учениками приступил к созданию «огнедействующей машины». Весной 1766 г. она была практически готова. Из-за скоротечной чахотки самому изобретателю не удалось увидеть свое детище в действии. Испытания паровой машины начались спустя неделю после смерти Ползунова.
Машина Ползунова отличалась от известных в то время паровых двигателей прежде всего тем, что она предназначалась не только для подъема воды, но и для приведения в действие заводских машин -- воздуходувных мехов. Это была машина непрерывного действия, чего удалось достичь за счет применения двух цилиндров вместо одного: поршни цилиндров двигались навстречу друг другу и поочередно действовали на общий вал. В своем проекте Ползунов указал все материалы, из которых должна быть изготовлена машина, а также обозначил технологические процессы, которые потребуются при ее сооружении (пайку, литье, полировку). Специалисты утверждают, что докладная записка с изложением проекта отличалась чрезвычайной ясностью мысли и филигранной точностью проведенных расчетов.
По замыслу изобретателя, пар из котла машины подавался в один из двух цилиндров и поднимал поршень до крайнего верхнего положения. После этого в цилиндр из резервуара впрыскивалась охлажденная вода, что приводило к конденсации пара. Под давлением внешней атмосферы поршень опускался, в то время как в другом цилиндре в результате давления пара поршень поднимался. С помощью специального устройства осуществлялись две операции -- автоматический впуск пара из котла в цилиндры и автоматическое поступление холодной воды. Система шкивов (специальных колес) передавала движение от поршней к насосам, нагнетавшим воду в резервуар, и воздуходувным мехам.
Параллельно основной машине изобретатель разработал множество новых деталей, приспособлений и устройств, значительно упрощавших процесс производства. В качестве примера можно привести сконструированный им регулятор прямого действия для поддержания постоянного уровня воды в котле. В процессе испытаний обнаружились серьезные дефекты двигателя: неточная обработка поверхностей используемых цилиндров, неплотность воздуходувных мехов, наличие в металлических деталях раковин и др. Эти огрехи объяснялись тем, что уровень машиностроительного производства на Барнаульском заводе был еще недостаточно высоким. А научные достижения того времени не позволяли точно рассчитать необходимое количество охлаждающей воды. Тем не менее все недостатки были решены, и в июне 1766 г. была успешно испытана установка с мехами, после чего началось строительство печей.
Накопление новых практических знаний в XVI–XVII веках привело к неслыханным взлетам человеческой мысли. Водяные и ветряные колеса вращают станки, приводят в движение кузнечные меха, помогают металлургам поднимать руду из шахт, т. е. там, где руки человека не могут справиться с тяжелой работой, на помощь им приходит энергия воды и ветра. Основные достижения техники того времени обязаны не столько ученым и науке, сколько кропотливому труду искусных изобретателей. Достижения в технике горного дела, в добыче разнообразных руд и полезных ископаемых были особенно велики. Нужно было поднять добытую руду или уголь из шахты, все время откачивать заливавшие разработку грунтовые воды, постоянно подавать в шахту воздух и ещё множество самых разнообразных трудоемких работ требовалось для того, чтобы не остановилась добыча. Таким образом, развивающаяся промышленность властно требовала все больше и больше энергии, а её могли предоставить в те времена в основном водяные колеса. Их уже научились строить достаточно мощными. В связи с ростом мощности колес все шире стал применяться металл для валов и некоторых других деталей. Во Франции па реке Сене в 1682 г. мастером Р. Салемом под руководством А. де Виля была сооружена крупнейшая для того времени установка, состоящая из 13 колес диаметром по 8 м, служившая для привода более 200 насосов, подававших воду на высоту свыше 160 м, и обеспечивавшая водой фонтаны в Версале и Марли. На первых хлопчатобумажных фабриках применялся гидравлический двигатель. Машины прядильни Аркрайта с самого начала приводились в движение водой. Однако водяные колеса возможно было устанавливать лишь на реке, желательно полноводной и быстрой. И если текстильную или металлообрабатывающую фабрику ещё можно было построить на берегу реки, то залежи руды или угольные пласты нужно было разрабатывать только в местах залегания. А для откачки заливавших шахту подземных вод и подъема добытой руды или угля на поверхность тоже необходима была энергия. Поэтому на шахтах, удаленных от рек, приходилось использовать только силу животных.
Владелец одной английской шахты в 1702 году для приведения в действие насосов, откачивающих воду из шахты, вынужден был держать 500 лошадей, что было очень невыгодно.
Развивающейся промышленности требовались мощные двигатели нового типа, которые позволяли бы создавать производство в любом месте. Первым толчком к созданию новых двигателей, способных работать в любом месте независимо от того, есть рядом река или нет, послужила именно нужда в насосах и подъемниках в металлургии и горном деле.
Способность пара производить механическую работу давно была известна человеку. Первые следы действительного разумного применения пара в механике упоминаются в 1545 г. в Испании, когда флотский капитан
Бласко де Гарай сконструировал машину, с помощью которой приводил в движение боковые гребные колеса корабля и которая по приказу Карла V впервые была испытана в барселонской гавани при перевозке 4000 центнеров груза кораблем на три морских мили за два часа. Изобретатель был вознагражден, но сама машина осталась без применения и была предана забвению.
В конце XVII века в странах с наиболее развитым мануфактурным производством зарождаются элементы новой машинной техники с использованием свойств и силы водяного пара.
Ранние попытки создания теплового двигателя были связаны с необходимостью откачивания воды из шахт, где добывалось топливо. В 1698 году англичанин Томас Севери, бывший рудокоп, а затем капитан торгового флота, впервые предложил откачивать воду с помощью парового водоподъемника. Патент, полученный Севери, гласил:«Это новое изобретение по подъему воды и получению движения для всех видов производства при помощи движущей силы огня имеет большое значение для осушки рудников, водоснабжения городов и производства движущей силы для фабрик всех видов, которые не могут использовать водяную силу или постоянную работу ветра». Водоподъемник Севери работал по принципу засасывания воды за счет атмосферного давления в камеру, где создавалось разрежение при конденсации пара холодной водой. Паровые машины Севери были крайне неэкономичны и неудобны в эксплуатации, их нельзя было приспособить для приведения в действие станков, они потребляли огромное количество томлива, коэффициент полезного действия их был не выше 0,3%. Однако потребность в откачке воды из шахт была настолько велика, что даже эти громоздкие паровые машины типа насоса получили некоторое распространение.
Томас Ньюкомен (1663–1729) – английский изобретатель, кузнец по профессии. Совместно с лудильщиком Дж. Коули построил паровой насос, опыты по совершенствованию которого продолжались около 10 лет, пока он не начал исправно работать. Паровая машина Ньюкомена не была универсальным двигателем. Заслуга Ньюкомена в том, что он одним из первых реализовал идею использования пара для получения механической работы. Его имя носит Общество историков техники Великобритании. В 1711 году Ньюкомен, Коули и Севери создали «Компанию обладателей правами на изобретение установки для подъема воды посредством огня». Пока эти изобретатели являлись обладателями патента на «использование силы огня», вся их работа по изготовлению паровых машин проводилась в строжайшем секрете. Швед Тривальд, занимавшийся наладкой машин Ньюкомена, писал: «…изобретатели Ньюкомен и Коули были весьма подозрительны и осторожны в том, чтобы сохранить за собой и своими детьми тайну постройки и применения своего изобретения. Испанский посланник при английском дворе, который приехал из Лондона с большой свитой иностранцев посмотреть на новое изобретение, не был даже допущен в помещение, в котором находились машины». Но в 20-е годы XVIII века действие патента окончилось и изготовлением водоподъемных установок занялись многие инженеры. Появилась литература, в которой описывались эти установки.
Процесс распространения универсальных паровых машин в Англии к началу XIX в. подтверждает громадное значение нового изобретения. Если за десятилетие с 1775 по 1785 гг. было построено 66 машин двойного действия общей мощностью в 1288 л.с., то с 1785 по 1795 гг. было создано уже 144 машины двойного действия общей мощностью в 2009 л.с., а в следующее пятилетие – с 1795 по 1800 гг. – 79 машин общей мощностью в 1296 л.с.
Фактически применение в промышленности паровой машины началось с 1710 года, когда английские рабочие Ньюкомен и Коули впервые построили паровую машину, которая приводила в действие насос, установленный в шахте для выкачивания из нее воды.
Однако машина Ньюкомена не являлась паровой машиной в современном понимании этого слова, так как движущей силой в ней попрежнему был не водяной пар, а атмосферное давление воздуха. Поэтому эту машину называли «атмосферной». Хотя в машине водяной пар служил, как и в машине Севери, в основном для создания разрежения в цилиндре, здесь уже был предложен подвижный поршень – главная деталь современной паровой машины.
На рис. 4.1 показан паровой водоподъемник Ньюкомена– Коули. При опускании насосной штанги 1 и груза 2 поршень 4 поднимался и в цилиндр 5 через открытый кран 7 из котла 8 поступал пар, давление которого слегка превышало атмосферное. Пар служил для частичного подъема поршня в цилиндре, открытом сверху, но главная его роль заключалась в создании в нём разрежения. Для этой цели, когда поршень машины достигал своего верхнего положения, кран 7 закрывался, и из емкости 3 через кран6в цилиндр впрыскивалась холодная вода. Водяной пар быстро конденсировался, и атмосферное давление возвращало поршень в низ цилиндра, производя подъем насосной штанги. Из цилиндра выпускался конденсат трубкой9, поршень снова поднимался за счёт подачи пара, и описанный выше процесс повторялся. Машина Ньюкомена – это двигатель периодического действия.
Паровая машина Ньюкомена была совершенней машины Севери, более простой в эксплуатации, более экономичной и производительной. Однако машины первых выпусков работали очень неэкономично, для создания мощности в одну лошадиную силу в час сжигалось до 25 кг каменного угля, то есть коэффициент полезного действия составлял около 0,5%. Введение автоматического распределения потоков пара и воды упростило обслуживание машины, время хода поршня снизилось до 12–16 минут, что уменьшило габариты машины и удешевило конструкцию. Несмотря на высокий расход топлива, такого вида машины быстро получили широкое распространение. Уже в двадцатые годы XVIII века эти машины работали не только в Англии, но и во многих странах Европы – в Австрии, Бельгии, Франции, Венгрии, Швеции, применялись почти столетие в каменноугольной промышленности и для подачи воды в города. В России первая пароатмосферная машина Ньюкомена была установлена в 1772 г. в Кронштадте для откачки воды из дока. О распространенности машин Ньюкомена свидетельствует тот факт, что последняя в Англии машина такого типа была демонтирована только в 1934 году.
Иван Иванович Ползунов (1728–1766) – талантливый русский изобретатель, родившийся в семье солдата. В 1742 г. механику Екатеринбургского завода Никите Бахареву потребовались сметливые ученики. Выбор пал на четырнадцатилетних И. Ползунова и С. Черемисинова, ещё учившихся в Арифметической школе. Теоретическое обучение в школе уступило место практическому ознакомлению с работой самых современных тогда в России машин и установок Екатеринбургского завода. В 1748 г. Ползунов был переведен в Барнаул для работы на Колывано-Воскресенских заводах. После самостоятельного изучения книг по металлургии и минералогии в апреле 1763 года Ползуновым был предложен проект совершенно оригинальной паровой машины, которая отличалась от всех известных в то время машин тем, что была предназначена для приведения в действие воздуходувных мехов и являлась агрегатом непрерывного действия. В своей докладной записке об «огнедействующей машине» от 26 апреля 1763 г. Ползунов, по собственным его словам, хотел «...сложением огненной машины
водяное руководство пресечь и его, для сих случаев, вовсе уничтожить, а вместо плотин за движимое основание завода ее учредить так, чтобы она была в состоянии все наложенные на себя тягости, каковы к раздуванию огня обычно к заводам бывают потребны, носить и, по воле нашей, что будет потребно, исправлять». И далее он писал: «Дабы сей славы (если силы допустят) Отечеству достигнуть и чтоб то во всенародную пользу, по причине большого познания о употреблении вещей, поныне не весьма знакомых (по примеру наук прочих), в обычай ввести». В дальнейшем изобретатель мечтал приспособить машину и для других нужд. Проект И.И. Ползунова был представлен в царскую канцелярию в Петербург. Решение Екатерины II было следующим: «Её Императорское Величество не токмо им, Ползуновым, всемилостивейше довольна быть, но для вящего поощрения повелеть соизволила: пожаловать ево, Ползунова, в механикусы с чином и жалованьем капитана-поручика, и выдать ему в награждение 400 руб».
Машины Ньюкомена, прекрасно работавшие в качестве водоподъемных устройств, никак не могли удовлетворить возникшую настоятельную потребность в универсальном двигателе. Они только подготовили почву для создания универсальных паровых двигателей непрерывного действия.
На начальном этапе развития паровых машин необходимо выделить «огненную машину» русского горного мастера Ползунова. Двигатель предназначался для приведения в действие механизмов одной из плавильных печей Барнаульского завода.
По проекту Ползунова (рис. 4.2) пар из котла (1) подавался в один, скажем, левый цилиндр (2), где поднимал поршень (3) до крайнего верхнего положения. Затем из резервуара в цилиндр впрыскивалась струя холодной воды (4), что приводило к конденсации пара. В результате давления атмосферы на поршень он опускался, в то время как в правом цилиндре в результате давления пара поршень поднимался. Водопарораспределение в машине Ползунова осуществлялось специальным автоматическим устройством (5). Непрерывное рабочее усилие от поршней машины передавалось на шкив (6), насаженный на вал, с которого движение передавалось водопарораспределительному устройству, питательному насосу, а также рабочему валу, от которого приводились в движение воздуходувные меха.
Двигатель Ползунова относился к типу «атмосферных», но в нем изобретатель впервые ввел суммирование работы двух цилиндров с поршнями на один общий вал, чем обеспечил более равномерный ход двигателя. Когда один из цилиндров находился на холостом ходу, у другого был ход рабочий. Двигатель имел автоматическое парораспределение и впервые не был непосредственно связан с рабочей машиной. И.И. Ползунов создавал свою машину в чрезвычайно трудных условиях, своими руками, не имея необходимых средств и специальных станков. В его распоряжении не было искусных мастеров: руководство завода прикомандировало к Ползунову четырех учеников и выделило двух отставных рабочих. Топор и другие нехитрые инструменты, применявшиеся при изготовлении обычных тогда машин, здесь были мало пригодны. Ползунову пришлось самостоятельно конструировать и сооружать новое оборудование для своего изобретения. Строительство большой машины, высотой около 11 метров, сразу с листа, не опробованной даже на модели, без специалистов, потребовало огромного напряжения сил. Машина была построена, но 27 мая 1766 года И.И. Ползунов умер от скоротечной чахотки, не дожив неделю до испытаний «большой машины». Сама же машина, испытанная учениками Ползунова, не только окупившая себя, но и принесшая прибыль, проработала 2 месяца, дальнейшего усовершенствования не получила и после поломки была заброшена и забыта. После двигателя Ползунова прошло полстолетия, прежде чем в России стали применять паровые машины.
Джеймс Уатт – английский изобретатель, создатель универсальной паровой машины, член Лондонского королевского общества – родился в городе Гринок в Шотландии. С 1757 года работал механиком в университете в Глазго, где познакомился со свойствами водяного пара и провёл исследования зависимости температуры насыщенного пара от давления. В 1763–1764 гг., налаживая модель паровой машины Ньюкомена, предложил сократить расход пара отделением конденсатора пара от цилиндра. С этого времени начинаются его работы по усовершенствованию паровых машин, исследованию свойств пара, постройке новых машин и т.д., которые продолжались всю его жизнь. На памятнике Уатту в Вестминстерском аббатстве высечена надпись: «… применив к усовершенствованию паровой машины силу творческого гения, расширил производительность своей страны, увеличил власть человека над природой и занял выдающееся место среди наиболее прославившихся людей науки и истинных благодетелей человечества». В поисках средств для сооружения своего двигателя Уатт стал мечтать о выгодной работе за пределами Англии. В начале 70-х годов он заявил друзьям, что «ему надоело отечество», и серьезно повел разговоры о переезде в Россию. Русское правительство предложило английскому инженеру «занятие, сообразное с его вкусом и познаниями» и с ежегодным жалованьем в 1000 фунтов стерлингов. Отъезду Уатта в Россию помешал контракт, который он заключил в 1772 г. с капиталистом Болтоном, владельцем машиностроительного предприятия в г. Сохо близ Бирмингема. Болтон давно знал об изобретении новой, «огненной», машины, но колебался субсидировать ее постройку, сомневаясь в практической ценности машины. Заключить договор с Уаттом он поторопился лишь тогда, когда возникла реальная угроза отъезда изобретателя в Россию. Договор, связавший Уатта с Болтоном, оказался весьма действенным. Болтон показал себя умным и дальновидным человеком. Он не поскупился на расходы по сооружению машины. Болтон понял, что гений Уатта, освобожденный от мелочной, изнурительной заботы о куске хлеба, развернется в полную мощь и обогатит предприимчивого капиталиста. Кроме того, сам Болтон был крупным инженером-механиком. Технические идеи Уатта увлекли и его. Завод в Сохо славился первоклассным по тем временам оборудованием, имел квалифицированные рабочие кадры. Поэтому Уатт с восторгом принял предложение Болтона наладить на заводе производство паровых машин новой конструкции. С начала 70-х годов и до конца своей жизни Уатт оставался главным механиком завода. На заводе в Сохо в конце 1774 г. была построена первая машина двойного действия.
Машина Ньюкомена была сильно усовершенствована за столетие своего существования, но оставалась «атмосферной» и не отвечала нуждам быстрорастущей техники мануфактурного производства, которая требовала организации вращательного движения с большой скоростью.
Поиски многих изобретателей были направлены на достижение поставленной цели. Только в одной Англии за последнюю четверть ХVIII века было выдано свыше десятка патентов на универсальные двигатели самых разных систем. Однако только Джеймсу Уатту удалось предложить промышленности универсальную паровую машину.
Уатт начал свою работу над паровой машиной почти одновременно с Ползуновым, но в разных условиях. В Англии в это время бурно развивалась промышленность. Уатт активно был поддержан Болтоном, хозяином нескольких заводов в Англии, ставшим впоследствии его компаньоном, парламентом, имел возможность использовать высококвалифицированные инженерные кадры. В 1769 году Уатт запатентовал паровой двигатель с отдельным конденсатором, а затем – применение в двигателе избыточного давления пара, что значительно снижало расход топлива. Уатт стал по справедливости творцом паровой поршневой машины.
На рис. 4.3, приведена схема одной из первых паровых машин Уатта. Паровой котел1 с поршневым цилиндром3 связан паропроводом2 , по которому пар периодически впускается в верхнюю над поршнем4 и в нижнюю под поршнем полости цилиндра. Эти полости соединены с конденсатором трубой5 , где отработанный пар конденсируется холодной водой и создается разряжение. Машина имеет балансир6 , связывающий при помощи шатуна7 поршень с мотылем вала, на конце которого насажен маховик8 .
В машине впервые применен принцип двойного действия пара, который заключается в том, что свежий пар впускается в цилиндр машины поочередно в камеры по обеим сторонам поршня. Введение Уаттом принципа расширения пара состояло в том, что свежий пар впускался в цилиндр только на части хода поршня, затем пар отсекался, а дальнейшее движение поршня осуществлялось за счет расширения пара и падения его давления.
Таким образом, в машине Уатта решающей движущей силой стало не атмосферное давление, а упругость пара повышенного давления, приводящего в движение поршень. Новый принцип работы пара потребовал полного изменения в устройстве машины, особенно цилиндра и парораспределения. Для устранения конденсации пара в цилиндре Уатт впервые ввел паровую рубашку цилиндра, при помощи которой он стал обогревать его рабочие стенки паром, а наружную сторону паровой рубашки заизолировал. Поскольку Уатт для создания равномерного вращательного движения не мог в своей машине применить шатунно-кривошипный механизм (на такую передачу был взят охранный патент французским изобретателем Пикаром), то в 1781 г. он взял патент на пять способов преобразования качательного движения в непрерывно-вращательное. Вначале для этой цели он применял планетарное, или солнечное, колесо. Наконец, Уатт ввел центробежный регулятор скорости для изменения количества подачи пара в цилиндр машины при изменении числа оборотов. Таким образом, Уатт в своей паровой машине заложил основные принципы устройства и работы современной паровой машины.
Паровые машины Уатта работали на насыщенном паре низкого давления 0,2– 0,3 МПа, при небольшом числе оборотов в минуту. Паровые машины, измененные таким образом, дали прекрасные результаты, понизив в несколько раз расход угля на л.с./ч (лошадиную силу в час) по сравнению с машинами Ньюкомена, и вытеснили водяное колесо из горнорудной промышленности. В середине 80-х годов XVIII в. конструкция паровой машины была окончательно разработана, и паровая машина двойного действия стала универсальным тепловым двигателем, нашедшим широкое применение почти во всех отраслях хозяйства многих стран. В XIX веке распространение получают шахтные подъемные паросиловые установки, паросиловые воздуходувки, прокатные паросиловые установки, паровые молоты, паровые насосы и т.д.
Дальнейшее увеличение к.п.д. паросиловой установки было достигнуто современником Уатта Артуром Вольфом в Англии путём введения многократного расширения пара последовательно в 2, 3 и даже в 4 приема, при этом пар переходил из одного цилиндра машины в другой.
Отказ от балансера и использование многократного расширения пара привели к созданию новых конструктивных форм машин. Двигатели двукратного расширения стали оформляться в виде двух цилиндров– цилиндра высокого давления (ЦВД) и цилиндра низкого давления (ЦНД), куда поступал отработанный пар после ЦВД. Цилиндры располагались либо горизонтально (компаундмашина, рис. 4.4,а ), либо последовательно, когда оба поршня посажены на общий шток (тандем-машина, рис. 4.4,б ).
Большое значение для повышения к.п.д. паровых машин стало использование в середине XIX века перегретого пара с температурой до 350°С, что позволило снизить расход топлива до 4,5 кг на л.с./ч. Применение перегретого пара было впервые предложено французским ученым Г.А. Гирном.
Джордж Стефенсон (1781–1848) родился в рабочей семье, работал на угольных копях Ньюкасла, где работали также его отец и дед. Он много занимался самообразованием, изучал физику, механику и другие науки, интересовался изобретательской деятельностью. Выдающиеся способности Стефенсона привели его на должность механика, а в 1823 г. он был назначен главным инженером компании по строительству первой железной дороги общего пользования Стоктон-Дарлингтон; это открыло ему большие возможности конструкторской, изобретательской работы.
В России первые паровозы были построены русскими механиками и изобретателями Черепановыми – Ефимом Алексеевичем (отцом, 1774–1842) и Мироном Ефимовичем (сыном, 1803–1849), работавшими на Нижнетагильских заводах и бывшими крепостными заводчиков Демидовых. Черепановы путем самообразования стали образованными людьми, они посещали заводы Петербурга и Москвы, Англии и Швеции. За изобретательскую деятельность Мирону Черепанову и его жене в 1833 г. была дана вольная. Ефиму Черепанову и его жене вольная была дана в 1836 г. Черепановы создали около 20 различных паровых машин, работавших на Нижнетагильских заводах.
Высокое давление пара для паровых машин впервые применил Оливер Эванс в Америке. Это привело к снижению расхода топлива еще до 3 кг на л.с./ч. Позднее конструкторы паровозов стали применять многоцилиндровые паровые машины, пар избыточного давления, устройство для реверсирования.
В XVIII в. возникло вполне понятное стремление использовать паровую машину на наземном и водном транспорте. В развитии паровых машин самостоятельное направление составили локомотивы – передвижные паросиловые установки. Первая установка такого типа была разработана английским строителем Джоном Смитом. Фактически развитие парового транспорта началось с установки в жаротрубных котлах дымогарных труб, что значительно повысило их паропроизводительность.
Было сделано немало попыток разработки паровых локомотивов – паровозов, были построены действующие модели (рис. 4.5, 4.6). Из них выделяется построенный талантливым английским изобретателем Джорджем Стефенсоном (1781–1848) в 1825 г. паровоз «Ракета» (см. рис. 4.6,а, б ).
«Ракета» была не первым паровозом, сконструированным и построенным Стефенсоном, но этот превосходил другие по многим показателям и был признан лучшим локомотивом на специальной выставке в Рейхилле и рекомендован для новой железной дороги Ливерпуль-Манчестер, ставшей в то время образцовой. В 1823 г. Стефенсон организовал первый паровозостроительный завод в г. Ньюкасле. В 1829 году в Англии был организован конкурс на лучший паровоз, победителем которого была признана машина Дж. Стефенсона. Его паровоз «Ракета», разработанный на основе дымогарного котла, при массе поезда 17 т развивал скорость 21 км/ч. Позже скорость «Ракеты» была увеличена до 45 км/ч.
Железные дороги начали играть в XVIII в. огромную роль. Первая пассажирская железная дорога в России протяженностью 27 км по решению царского правительства была построена иностранными предпринимателями в 1837 г. между Петербургом и Павловском. Двухколейная железная дорога Петербург- Москва начала действовать в 1851 г.
В 1834 году отец и сын Черепановы построили первый российский паровоз (см. рис.4.6,в, г ), перевозивший груз массой 3,5 т со скоростью 15 км/ч. Последующие их паровозы перевозили груз массой 17 т.
Попытки использовать паровую машину в водном транспорте предпринимались с начала XVIII в. Известно, например, что французский физик Д.Папен (1647–1714) построил лодку, приводившуюся в движение паровой машиной. Правда, успехов в этом деле Папен не добился.
Задачу решил американский изобретатель Роберт Фултон (1765–1815), родившийся в г. Литл-Бритон (теперь г. Фултон) в штате Пенсильвания. Любопытно отметить, что первые большие успехи в создании паровых машин для промышленности, железнодорожного и водного транспорта выпадали на долю талантливых людей, овладевших знаниями путем самообразования. В этом отношении не составлял исключения и Фултон. Ставший впоследствии инженером-механиком, Фултон, происходивший из небогатой семьи, вначале много занимался самообразованием. Фултон жил в Англии, где занимался строительством гидротехнических сооружений и решением ряда других технических задач. Находясь во Франции (в Париже), он построил подводную лодку «Наутилус» и паровое судно, которое было испытано на реке Сене. Но все это было только началом.
Настоящий успех пришел к Фултону в 1807 ггоду: вернувшись в Америку, он построил колесный пароход «Клермонт» грузоподъемностью 15 т, приводимый в движение с помощью паровой машины мощностью 20 л. с., который в августе 1807 г. совершил первый рейс от Нью-Йорка до Олбани протяженностью около 280 км.
Дальнейшее развитие пароходства, как речного, так и морского, пошло довольно быстро. Этому содействовал переход от деревянных на стальные конструкции судов, рост мощности и быстроходности паровых машин, введение гребного винта и ряд других факторов.
С изобретением паровой машины человек научился превращать в движение, в работу энергию, сконцентрированную в топливе.
Паровая машина – одно из очень немногих в истории изобретений, которое резко изменило картину мира, революционизировало промышленность, транспорт, дало импульс новому взлету научного знания. Она была универсальным двигателем промышленности и транспорта в течение всего XIX века, но ее возможности уже не соответствовали требованиям к двигателям, возникшим в связи со строительством электростанций и применением механизмов с высокими скоростями в конце XIX века.
На техническую арену в качестве нового теплового двигателя вместо тихоходной паровой машины выходит быстроходная турбина с более высоким к.п.д.
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.
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 Таки ад-Дином Мухаммедом (англ. ). Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах . Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.
Однако дальнейшее развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики двигателей могли бы воспользоваться их результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения . Только в конце 17-го столетия паровые двигатели были созданы как единичные курьёзы. Первая машина была создана испанским изобретателем Херонимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т. Севери (см. ниже). Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 году англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 году он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в 19-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-х в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 году создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив . Система работала, 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 Таки ад-Дина и Севери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана .
Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Севери в 1698 году . На своё устройство Севери в 1698 году получил патент. Это был поршневой паровой насос, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы двигателя иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его «другом рудокопа».
Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.
Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления (американец Оливер Эванс и англичанин Ричард Тревитик). Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм , или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования. Французский изобретатель 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 узлов . 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив , построенный Ричардом Тревитиком.
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.
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.
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 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.
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.
Индикаторная диаграмма, показывающая четырёхфазный цикл поршневой паровой машины двойного действия
В большинстве возвратно-поступательных паровых машин пар изменяет направление движения в каждом такте рабочего цикла, поступая в цилиндр и выходя из него через один и тот же коллектор. Полный цикл двигателя занимает один полный оборот кривошипа и состоит из четырёх фаз - впуска, расширения (рабочая фаза), выпуска и сжатия. Эти фазы контролируются клапанами в «паровой коробке», смежной с цилиндром. Клапаны управляют потоком пара, последовательно соединяя коллекторы каждой стороны рабочего цилиндра с впускным и выпускным коллектором паровой машины. Клапаны приводятся в движение клапанным механизмом какого-либо типа. Простейший клапанный механизм даёт фиксированную продолжительность рабочих фаз и обычно не имеет возможности изменять направление вращения вала машины. Большинство клапанных механизмов более совершенны, имеют механизм реверса, а также позволяют регулировать мощность и крутящий момент машины путём изменения «отсечки пара», то есть изменяя соотношение фаз впуска и расширения. Так как обычно один и тот же скользящий клапан управляет и входным и выходным потоком пара, изменение этих фаз также симметрично влияет на соотношения фаз выпуска и сжатия. И здесь существует проблема, поскольку соотношение этих фаз в идеале не должно меняться: если фаза выпуска станет слишком короткой, то большая часть отработанного пара не успеет покинуть цилиндр, и создаст существенное противодавление на фазе сжатия. В 1840-х и 1850-х годах было совершено множество попыток обойти это ограничение, в основном путём создания схем с дополнительным клапаном отсечки, установленном на основном распределительном клапане, но такие механизмы не показывали удовлетворительной работы, к тому же получались слишком дорогими и сложными. С тех пор обычным компромиссным решением стало удлинение скользящих поверхностей золотниковых клапанов с тем, чтобы впускное окно было перекрыто дольше, чем выпускное. Позже были разработаны схемы с отдельными впускными и выпускными клапанами, которые могли обеспечить практически идеальный цикл работы, но эти схемы редко применялись на практике, особенно на транспорте, из-за своей сложности и возникающих эксплуатационных проблем.
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.
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 мёртвоё пространство, которое возникло в результате предыдущей фазы, то есть каналы впуска-выпуска и неиспользуемый для движения поршня объём цилиндра.
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.
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 нём 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:
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.
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 четырёхкратного расширения. Такие паровые машины использовали серии цилиндров двойного действия, объём 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 секции высокого, среднего и низкого давления.
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 остаётся более или менее постоянным. Прямоточные машины одиночного 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 одиночного, так и двойного действия.
Паровая турбина представляет собой барабан либо серию вращающихся дисков, закреплённых на единой оси, их называют ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закреплённых на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные (в активных, либо подобные в реактивных) 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 неё 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.
Кроме поршневых паровых машин, в 19-м веке активно использовались роторные паровые машины. В России, во второй половине 19-го века они назывались «коловратные машины» (то есть «вращающие колесо» от слова «коло» - «колесо»). Их было несколько типов, но наиболее успешной и эффективной была «коловратная машина» петербургского инженера-механика Н. Н. Тверского. Паровой двигатель Н. Н. Тверского . Машина представляла собой цилиндрический корпус, в котором вращался ротор-крыльчатка, а запирали камеры расширения особые запорные барабанчики. «Коловратная машина» Н. Н. Тверского не имела ни одной детали, которая бы совершала возвратно-поступательные движения и была идеально уравновешена. Двигатель Тверского создавался и эксплуатировался преимущественно на энтузиазме его автора, однако он использовался во многих экземплярах на малых судах, на фабриках и для привода динамо-машин. Один из двигателей даже установили на императорской яхте «Штандарт», а в качестве расширительной машины - с приводом от баллона со сжатым газом аммиаком, этот двигатель приводил в движение в подводном положении одну из первых экспериментальных подводных лодок - «подводную миноноску», которая испытывалась Н. Н. Тверским в 80-х годах 19-го столетия в водах Финского залива. Однако со временем, когда паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания и электромоторами, «коловратная машина» Н. Н. Тверского была практически забыта. Однако эти «коловратные машины» можно считать прообразами сегодняшних роторных двигателей внутреннего сгорания.
Паровые машины могут быть классифицированы по их применению следующим образом:
Паровой молот
Паровая машина на старой сахарной фабрике, Куба
Стационарные паровые машины могут быть разделены на два типа по режиму использования:
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.
Паровые машины использовались для привода различных типов транспортных средств, среди них:
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.
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. При этом паровая машина паровоза продолжает развивать тяговое усилие даже в случае остановки колёс (упор в стену), чем отличается от всех других видов двигателей, используемых на транспорте.
Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл) от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более. Тепловая электростанция с пароперегревателем и регенеративным водоподогревом может достичь КПД 30 - 42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать коэффициента полезного действия 50 - 60 %. На ТЭЦ эффективность повышается за счёт использования частично отработавшего пара для отопления и производственных нужд. При этом используется до 90 % энергии топлива и только 10 % рассеивается бесполезно в атмосфере.
Такие различия в эффективности происходят из-за особенностей термодинамического цикла паровых машин. Например, наибольшая отопительная нагрузка приходится на зимний период, поэтому КПД ТЭЦ зимой повышается.
Одна из причин снижения КПД в том, что средняя температура пара в конденсаторе несколько выше, чем температура окружающей среды (образуется т. н.
