Ровно 245 лет назад – 5 января 1769 года – Джеймс Уатт получил патент на изобретённую им паровую машину. Чем не повод вспомнить историю создания паровой машины с самых древних времён?
Собственно сам патент и его обладатель –
История создания паровой машины начинается с того, что первое описание прибора, который приводился в движение при помощи пара, датируется первым веком и принадлежит Герону Александрийскому.
Пар, выходя по касательной из дюз, которые были закреплены на шаре, и заставляли его вращаться.
Настоящая паровая турбина была сконструирована уже в средневековом Египте, инженером 16-го века, астрономом и философом арабом Таки-ад-Дином Мухаммедом. История создания паровой машины продолжалась. Он изобрел методику вращения вертела при помощи пара. Он был направлен на лопасти, зафиксированные по ободу колеса.
Итальянский инженер Джованни Бранка предложил похожую машину в 1629 году. Она была предназначена для вращения цилиндрического анкерного приспособления в ступах, которое в свою очередь поднимало и опускало пару пестов в ступах. В таких паровых машинах паровой поток не был концентрированным, и это приводило к большим потерям энергии, ведь значительная часть энергии пара рассеивалась во всех направлениях.
Для дальнейшего развития истории создания паровой машины — парового приспособления — нужна была экономическая обстановка, при которой разработчики двигателя могли бы воспользоваться его результатом. Но в античной эпохе, как и в средневековье, и даже в Эпохе Возрождения таких условий не было. И только лишь к концу 17-го века были созданы паровые агрегаты, но пока как единичные курьезы. Первую машину создал испанский изобретатель Иеронимо Аянс де Бомонт. Его изобретения оказали немалое влияние на патент Т. Севери.
Англичанин Эдвард Сомерсет в 1655 году описал основной принцип действия паровых машин и спектр их применения. В 1663 году он напечатал проект, и в замке Реглан установил устройство для подъема воды на стену большой башни. Данное устройство приводилось в движение при помощи пара (еще в 19-м веке можно было увидеть углубления в стене, где располагался двигатель). Но желающих рискнуть деньгами ради этого изобретения не нашлось, и поэтому дальнейшая разработка паровой машины оказалась невозможна. Французский физик и изобретатель Дени Папен тоже внёс свой вклад в историю создания паровой машины – он работал над созданием вакуума, а закрытом цилиндре.
Сотрудничая с голландским физиком Гюйгенсом, он в 1670-х годах работал над агрегатом, который бы путем взрыва вытеснял воздух из цилиндра.
Папен видел неполноту вакуума получаемого при взрыве, поэтому после прибытия в Великобританию в 1680 году, разработал такой же цилиндр, но при помощи кипящей воды, которая образовывала конденсат в цилиндре, добился более полного вакуума.
Так данным агрегатом он сумел при помощи веревки переброшенной через шкив, поднять груз, прикрепленный к поршню. Но машина работала только для демонстрации ее возможностей, и для повторной работы надо было ее полностью разобрать, а затем собрать сначала. Тогда изобретатель понял, что для автоматизации цикла, надо производить пар в отдельном котле. Благодаря этому Папена считают изобретателем парового котла, и таким образом он открыл путь паровому двигателю Ньюкомена.
Но он не предложил полную конструкцию функционирующей паровой машины. Папен внёс огромный вклад в историю создания паровой машины тем, что работал над проектированием лодки, которая приводилась в движение при помощи колеса с реактивной силой в сочетании с изобретениями Севери и Таки ад-Дина. Так же ему приписывают изобретение еще ряда важных устройств, одно из них предохранительный клапан.
Из всех описанных приспособлений для решения нужных и полезных задач фактического применения не нашло ни одно. Первый паровой двигатель (за всю историю создания паровой машины), который принес реальную пользу, был разработан военным инженером из Англии Томасом Севери в 1698 году. Эта конструкция — «пожарная установка». В 1698 году Севери получил на нее патент. В целом это был поршневой насос, но довольно не эффективный, потому что во время охлаждения контейнера терялось тепло пара. Из-за высокого давления пара трубопроводы и емкости двигателя иногда взрывались, поэтому в эксплуатации он был крайне опасен. Этот агрегат применялся в других отраслях, на водяных мельницах для вращения колес, а в шахтах с его помощью откачивали воду. Поэтому изобретатель дал конструкции еще одно название «друг рудокопа».
В 1712 году английский кузнец представил свое изобретение – «атмосферный двигатель».
Это была усовершенствованная модель парового двигателя Севери, только Ньюкомен в нем значительно уменьшил рабочий напор пара. Впервые этот двигатель был применен для откачки жидкости из глубокой шахты. В данном насосе коромысло связано с тягой, спускающейся к камере насоса в шахту. Возвратно-поступательные движения тяги переходили к поршню насоса, подававшему наверх воду. Этот паровой двигатель Ньюкомена стал первым двигателем в истории создания паровой машины, который получил широкое применение на практике. Именно с изобретением этого двигателя связывают начало промышленной революции в Великобритании.
В 1763 году в России была разработана первая вакуумная двухцилиндровая паровая машина.
Спроектировал ее механик И. И. Ползунов, а уже в 1764 году она была построена.
Применили ее на Барнаульских Колывано – Воскресенских заводах для того, что бы привести в рабочее состояние воздуходувные меха.
Следующими кто повысил эффективность паровых машин и внёс огромный вклад в историю создания паровой машины, были англичанин Ричард Тревитик и американец Оливер Эванс. Тревитик построил однотактовые промышленные двигатели высокого давления.
Многим они известны как «корноуэльские двигатели». Их рабочее давление составляло 50 фунтов на дюйм квадратный, или же 345 кПа (3,405 атмосферы). Но увеличение давление вело к увеличению опасности взрывов в котлах и машинах, а это в свою очередь приводило к множественным авариям. Поэтому одной из главных деталей на паровых машинах считался предохранительный клапан. Его предназначение это выпуск лишнего давления. Безопасная и надежная работа этих агрегатов началась с накоплением опыта и после стандартизации операций сооружения, эксплуатации и обслуживания.
Изобретение паровых машин стало переломным моментом в истории человечества. Где-то на рубеже XVII-XVIII веков началась замена малоэффективного ручного труда, водяных колес и на совершенно новые и уникальные механизмы - паровые двигатели. Именно благодаря им стали возможны техническая и промышленная революции, да и весь прогресс человечества.
Но кто изобрел паровую машину? Кому человечество этим обязано? И когда это было? На все эти вопросы и постараемся найти ответы.
Еще до нашей эры
История создания паровой машины начинается еще в первых столетиях до нашей эры. Герон Александрийский описал механизм, который начинал работать только тогда, когда на него воздействовал пар. Устройство представляло собой шар, на котором были закреплены сопла. Из сопел по касательной выходил пар, тем самым заставляя двигатель вращаться. Это было первое устройство, которое работало на пару.
Создатель паровой машины (а точнее, турбины) - Таги-аль-Диноме (арабский философ, инженер и астроном). Его изобретение стало широко известно в Египте в XVI веке. Механизм был устроен следующим образом: потоки пара направляли прямо на механизм с лопастями, и когда дым валил - лопасти вращались. Нечто подобное в 1629 году предлагал и итальянский инженер Джованни Бранка. Главным недостатком всех этих изобретений был слишком большой расход пара, что в свою очередь требовало огромных затрат энергии и не было целесообразно. Разработки были приостановлены, так как тогдашних научных и технических знаний человечества было недостаточно. Кроме того, надобность в таких изобретениях напрочь отсутствовала.
Разработки
До XVII века создание паровой машины было невозможно. Но как только планка уровня развития человечества взлетела, тут же появились и первые экземпляры и изобретения. Хотя серьезно их никто на тот момент не воспринял. Так, например, в 1663 году английский ученый опубликовал в прессе проект своего изобретения, которое он установил в замке Реглан. Его устройство служило для того, чтобы поднимать воду на стены башен. Однако, как и все новое и неизведанное, данный проект был принят с сомнением, и спонсоров для его дальнейших разработок не нашлось.
История создания паровой машины начинается с изобретения пароатмосферной машины. В 1681 году ученый из Франции изобрел устройство, которое откачивало воду из шахт. В качестве движущей силы в первое время применялся порох, а затем его заменили на водяной пар. Так появилась пароатмосферная машина. Огромный вклад в ее усовершенствование внесли ученые из Англии Томас Ньюкомен и Томас Северен. Неоценимую помощь также оказал русский изобретатель-самоучка Иван Ползунов.
Неудавшаяся попытка Папена
Пароатмосферная машина, далекая в то время от совершенства, привлекла особое внимание в судостроительной области. Д. Папен свои последние сбережения потратил на приобретение небольшого судна, на котором занялся установкой водоподъемной пароатмосферной машины собственного производства. Механизм действия заключался в том, чтобы, падая с высоты, вода начинала вращать колеса.
Свои испытания изобретатель проводил в 1707 году на реке Фульде. Много народу собралось, чтобы посмотреть на чудо: двигающееся по реке судно без парусов и весел. Однако во время испытаний произошла катастрофа: взорвался двигатель и погибли несколько человек. Власти разозлились на неудачливого изобретателя и запретили ему какие-либо работы и проекты. Судно конфисковали и разрушили, а через несколько лет скончался и сам Папен.
Ошибка
У парохода Папена был следующий принцип работы. На дно цилиндра необходимо было залить небольшое количество воды. Под самим цилиндром располагалась жаровня, которая служила для нагревания жидкости. Когда вода начинала кипеть, образующийся пар, расширяясь, поднимал поршень. Из пространства над поршнем через специально оборудованный клапан выталкивался воздух. После того как вода закипала и начинал валить пар, необходимо было убрать жаровню, закрыть клапан, чтобы удалить воздух, и при помощи прохладной воды охладить стенки цилиндра. Благодаря таким действиям пар, находившийся в цилиндре, конденсировался, под поршнем образовывалось разрежение, и благодаря силе атмосферного давления поршень вновь возвращался на свое первоначальное место. Во время его движения вниз и совершалась полезная работа. Однако КПД паровой машины Папена был отрицательным. Двигатель парохода был крайне неэкономичен. А главное, он был слишком сложным и неудобным в эксплуатации. Поэтому изобретение Папена не имело будущего уже с самого начала.
Последователи
Однако история создания паровой машины на этом не закончилась. Следующим, уже гораздо более удачливым, чем Папен, оказался английский ученый Томас Ньюкомен. Он долго изучал работы своих предшественников, делая упор на слабые места. И взяв самое лучшее из их работ, создал в 1712 году свой аппарат. Новая паровая машина (фото представлено) была сконструирована следующим образом: использовались цилиндр, находившийся в вертикальном положении, а также поршень. Это Ньюкомен взял из работ Папена. Однако пар образовывался уже в другом котле. Вокруг поршня закреплялась цельная кожа, что значительно повышало герметичность внутри парового цилиндра. Данная машина также была пароатмосферной (вода поднималась из шахты при помощи атмосферного давления). Главными минусами изобретения были его громоздкость и неэкономичность: машина «съедала» огромное количество угля. Однако пользы она приносила значительно больше, чем изобретение Папена. Поэтому ее почти пятьдесят лет применяли в подземельях и шахтах. Ее использовали для откачивания грунтовых вод, а также для осушки кораблей. пытался преобразовать свою машину так, чтобы была возможность применять ее для движения транспорта. Однако все его попытки не увенчались успехом.
Следующим ученым, заявившим о себе, стал Д. Хулл из Англии. В 1736 году он представил миру свое изобретение: пароатмосферную машину, у которой в качестве движителя были лопастные колеса. Его разработка оказал более удачной, чем у Папена. Сразу же было выпущено несколько таких суден. В основном они использовались для того, чтобы буксировать баржи, корабли и другие суда. Однако надежность пароатмосферной машины не вызывала доверия, и суда оборудовали парусами как основным движителем.
И хотя Хуллу повезло больше, чем Папену, его изобретения постепенно потеряли актуальность, и от них отказались. Все-таки у пароатмосферных машин того времени было множество специфических недостатков.
История создания паровой машины в России
Следующий прорыв случился в Российской Империи. В 1766 году на металлургическом заводе в Барнауле была создана первая паровая машина, которая подавала в плавильные печи воздух при помощи специальных воздуходувных мехов. Создателем ее стал Иван Иванович Ползунов, которому за заслуги перед родиной даже дали офицерское звание. Изобретатель представил своему начальству чертежи и планы «огненной машины», способной приводить в действие воздуходувные мехи.
Однако судьба сыграла с Ползуновым злую шутку: через семь лет после того, как его проект был принят, а машина собрана, он заболел и умер от чахотки - всего за неделю до того, как начались испытания его двигателя. Однако его инструкций оказалось достаточно, чтобы завести двигатель.
Итак, 7 августа 1766 года паровая машина Ползунова была запущена и поставлена под нагрузку. Однако уже в ноябре того же года она сломалась. Причиной оказались слишком тонкие стенки котла, не предназначенного для нагрузки. Причем изобретатель в своих инструкциях писал, что этот котел можно использовать только во время испытаний. Изготовление нового котла легко бы окупилось, ведь КПД паровой машины Ползунова был положительный. За 1023 часа работы с ее помощью выплавили серебра 14 с лишним пудов!
Но несмотря на это, никто ремонтировать механизм не стал. Паровая машина Ползунова пылилась более 15 лет на складе, пока мир промышленности не стоял на месте и развивался. А потом и вовсе была разобрана на запчасти. Видимо, в тот момент Россия еще не доросла до паровых двигателей.
Требования времени
Между тем жизнь на месте не стояла. И человечество постоянно задумывалось над тем, чтобы создать механизм, позволяющий не зависеть от капризной природы, а самим управлять судьбой. От паруса все хотели отказаться как можно быстрее. Поэтому вопрос о создании парового механизма постоянно висел в воздухе. В 1753 году в Париже был выдвинут конкурс среди мастеров, ученых и изобретателей. Академия наук объявила награду тому, кто сможет создать механизм, способный заменить силу ветра. Но несмотря на то что в конкурсе участвовали такие умы, как Л. Эйлер, Д. Бернулли, Кантон де Лакруа и другие, дельного предложения не вынес никто.
Годы шли. И промышленная революция накрывала все больше и больше стран. Первенство и лидерство среди других держав доставалось неизменно Англии. К концу восемнадцатого века именно Великобритания стала создательницей крупной промышленности, благодаря чему завоевала титул всемирной монополистки в данной отрасли. Вопрос о механическом двигателе с каждым днем становился все более актуальным. И такой двигатель был создан.
Первая паровая машина в мире
1784 год стал для Англии и для всего мира переломным моментом в промышленной революции. И человеком, ответственным за это, стал английский механик Джеймс Уатт. Паровая машина, которую он создал, стала самым громким открытием века.
На протяжении нескольких лет изучал чертежи, строение и принципы работы пароатмосферных машин. И на основании всего этого он сделал вывод, что для эффективности работы двигателя необходимо сравнять температуры воды в цилиндре и пара, который попадает в механизм. Главный минус пароатмосферных машин заключался в постоянной необходимости охлаждения цилиндра водой. Это было расходно и неудобно.
Новая паровая машина была сконструирована иным образом. Так, цилиндр заключался в специальную рубашку из пара. Таким образом Уатт добился его постоянного нагретого состояния. Изобретатель создал специальный сосуд, погруженный в холодную воду (конденсатор). К нему трубой присоединялся цилиндр. Когда пар отрабатывался в цилиндре, то через трубу попадал в конденсатор и там превращался обратно в воду. Работая над усовершенствованием своей машины, Уатт создал разрежение в конденсаторе. Таким образом, весь пар, попадавший из цилиндра, конденсировался в нем. Благодаря этому нововведению очень сильно увеличивался процесс расширения пара, что в свою очередь позволяло извлекать из того же количества пара намного больше энергии. Это был венец успеха.
Создатель паровой машины также изменил и принцип подачи воздуха. Теперь пар попадал сначала под поршень, тем самым поднимая его, а затем собирался над поршнем, опуская. Таким образом, оба хода поршня в механизме стали рабочими, что ранее даже не представлялось возможным. А расход угля на одну лошадиную силу был в четыре раза меньше, чем, соответственно, у пароатмосферных машин, чего и добивался Джеймс Уатт. Паровая машина очень быстро завоевала сначала Великобританию, ну а затем и целый мир.
«Шарлотта Дандас»
После того как весь мир был поражен изобретением Джеймса Уатта, началось широкое применение паровых машин. Так, в 1802 году в Англии появился первый корабль на пару - катер «Шарлотта Дандас». Его создателем считается Уильям Саймингтон. Катер применялся в качестве буксировки барж по каналу. Роль движителя на судне играло гребное колесо, установленное на корме. Катер с первого раза успешно прошел испытания: отбуксировал две огромные баржи на 18 миль за шесть часов. При этом ему сильно мешал встречный ветер. Но он справился.
И все-таки его поставили на прикол, потому что опасались, что из-за сильных волн, которые создавались под гребным колесом, берега канала будут размыты. Кстати, на испытаниях «Шарлотты» присутствовал человек, которого весь мир сегодня считает создателем первого парохода.
в мире
Английский судостроитель с юношеских лет мечтал о судне с паровым двигателем. И вот его мечта стала осуществима. Ведь изобретение паровых машин стало новым толчком в судостроительстве. Вместе с посланником из Америки Р. Ливингстоном, который взял на себя материальную сторону вопроса, Фултон занялся проектом корабля с паровой машиной. Это было сложное изобретение, основанное на идее весельного движителя. По бортам судна тянулись в ряд плицы, имитирующие множество весел. При этом плицы то и дело мешали друг другу и ломались. Сегодня можно с легкостью сказать, что тот же эффект мог быть достигнут всего при трех-четырех плицах. Но с позиции науки и техники того времени это увидеть было нереально. Поэтому судостроителям приходилось намного сложнее.
В 1803 году изобретение Фултона было представлено всему миру. Пароход медленно и ровно шел по Сене, поражая умы и воображение многих ученых и деятелей Парижа. Однако правительство Наполеона отвергло проект, и раздосадованные судостроители вынуждены были искать счастья в Америке.
И вот в августе 1807 года первый в мире пароход под названием «Клермонт», в котором была задействована мощнейшая паровая машина (фото представлено), пошел по Гудзонскому заливу. Многие тогда просто не верили в успех.
В свой первый рейс «Клермонт» отправился без грузов и без пассажиров. Никто не хотел отправляться в путешествие на борту огнедышащего судна. Но уже на обратном пути появился первый пассажир - местный фермер, заплативший шесть долларов за билет. Он стал первым пассажиром в истории пароходства. Фултон был так сильно растроган, что предоставил смельчаку пожизненный бесплатный проезд на всех своих изобретениях.
Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях , локомотивах , на паровых судах, тягачах , паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Позднее паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания , паровыми турбинами , электромоторами и атомными реакторами , КПД которых выше.
Паровая машина в действии
Изобретение и развитие
Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном из Александрии в первом столетии - это так называемая «баня Герона», или «эолипил». Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Предполагается, что преобразование пара в механическое движение было известно в Египте в период римского владычества и использовалось в несложных приспособлениях.
Первые промышленные двигатели
Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Сейвери в 1698 году . На своё устройство Сейвери в 1698 году получил патент. Это был поршневой паровой насос, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы двигателя иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его «другом рудокопа».
Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель», который был первым паровым двигателем, на который мог быть коммерческий спрос. Это был усовершенствованный паровой двигатель Сейвери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Ньюкомен, возможно, базировался на описании экспериментов Папена, находящихся в Лондонском королевском обществе , к которым он мог иметь доступ через члена общества Роберта Гука , работавшего с Папеном.
Схема работы паровой машины Ньюкомена.
– Пар показан лиловым цветом, вода - синим.
– Открытые клапаны показаны зелёным цветом, закрытые - красным
Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Клапаны ранних двигателей Ньюкомена открывались и закрывались вручную. Первым усовершенствованием было автоматизация действия клапанов, которые приводились в движение самой машиной. Легенда рассказывает, что это усовершенствование было сделано в 1713 году мальчиком Хэмфри Поттером, который должен был открывать и закрывать клапаны; когда это ему надоедало, он связывал рукоятки клапанов верёвками и шёл играть с детьми. К 1715 году уже была создана рычажная система регулирования, приводимая от механизма самого двигателя.
Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.
Хэмфри Гэйнсборо в 1760-ых годах построил модель паровой машины с конденсатором. В 1769 году шотландский механик Джеймс Уатт (возможно, использовав идеи Гейнсборо) запатентовал первые существенные усовершенствования к вакуумному двигателю Ньюкомена, которые сделали его значительно более эффективным по расходу топлива. Вклад Уатта заключался в отделении фазы конденсации вакуумного двигателя в отдельной камере, в то время как поршень и цилиндр имели температуру пара. Уатт добавил к двигателю Ньюкомена ещё несколько важных деталей: поместил внутрь цилиндра поршень для выталкивания пара и преобразовал возвратно-поступательное движения поршня во вращательное движение приводного колеса.
На основе этих патентов Уатт построил паровой двигатель в Бирмингеме . К 1782 году паровой двигатель Уатта оказался более чем в 3 раза производительнее машины Ньюкомена. Повышение эффективности двигателя Уатта привело к использованию энергии пара в промышленности. Кроме того, в отличие от двигателя Ньюкомена, двигатель Уатта позволил передать вращательное движение, в то время как в ранних моделях паровых машин поршень был связан с коромыслом, а не непосредственно с шатуном. Этот двигатель уже имел основные черты современных паровых машин.
Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления (американец Оливер Эванс и англичанин Ричард Тревитик). Р.Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм , или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования.
Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: "fardier à vapeur" (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем . Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход , построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7-8 миль в час . Пароход Дж. Фитча не был коммерчески успешным, поскольку с его маршрутом конкурировала хорошая сухопутная дорога. В 1802 году шотландский инженер Уильям Симингтон построил конкурентоспособный пароход, а в 1807 году американский инженер Роберт Фултон использовал паровой двигатель Уатта для привода первого коммерчески успешного парохода. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив , построенный Ричардом Тревитиком.
Паровые машины с возвратно-поступательным движением
Двигатели с возвратно-поступательным движением используют энергию пара для перемещения поршня в герметичной камере или цилиндре. Возвратно-поступательное действие поршня может быть механически преобразовано в линейное движение поршневых насосов или во вращательное движение для привода вращающихся частей станков или колёс транспортных средств.
Вакуумные машины
Ранние паровые машины назывались вначале «огневыми машинами», а также «атмосферными » или «конденсирующими» двигателями Уатта. Они работали на вакуумном принципе и поэтому известны также как «вакуумные двигатели». Такие машины работали для привода поршневых насосов , во всяком случае, нет никаких свидетельств о том, что они использовались в иных целях. При работе паровой машины вакуумного типа в начале такта пар низкого давления впускается в рабочую камеру или цилиндр. Впускной клапан после этого закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. В двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр, и конденсат сбегает в сборник конденсата. Таким образом создаётся вакуум в цилиндре. Атмосферное давление в верхней части цилиндра давит на поршень, и вызывает его перемещение вниз, то есть рабочий ход.
Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. В году появилась версия паровой машины, созданная Уаттом в сотрудничестве с Мэттью Боултоном, основным нововведением которой стало вынесение процесса конденсации в специальную отдельную камеру (конденсатор). Эта камера помещалась в ванну с холодной водой, и соединялась с цилиндром трубкой, перекрывающейся клапаном. К конденсационной камере была присоединена специальная небольшая вакуумная помпа (прообраз конденсатного насоса), приводимая в движение коромыслом и служащая для удаления конденсата из конденсатора. Образовавшаяся горячая вода подавалась специальным насосом (прообразом питательного насоса) обратно в котёл. Ещё одним радикальным нововведением стало закрытие верхнего конца рабочего цилиндра, в верхней части которого теперь находился пар низкого давления. Этот же пар присутствовал в двойной рубашке цилиндра, поддерживая его постоянную температуру. Во время движения поршня вверх этот пар по специальным трубкам передавался в нижнюю часть цилиндра, для того, чтобы подвергнуться конденсации во время следующего такта. Машина, по сути, перестала быть «атмосферной», и её мощность теперь зависела от разницы давлений между паром низкого давления и тем вакуумом, который удавалось получить. В паровой машине Ньюкомена смазка поршня осуществлялась небольшим количеством налитой на него сверху воды, в машине Уатта это стало невозможным, поскольку в верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку смесью тавота и нефти. Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.
Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничение их эффективности, были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII века . Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора. Максимальный теоретический КПД был ограничен относительно малой разницей температур по обе стороны поршня; это делало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими.
Сжатие
Выпускное окно цилиндра паровой машины перекрывается несколько раньше, чем поршень доходит до своего крайнего положения, что оставляет в цилиндре некоторое количество отработанного пара. Это означает, что в цикле работы присутствует фаза сжатия, формирующая так называемую «паровую подушку» , замедляющую движение поршня в его крайних положениях. Кроме того, это устраняет резкий перепад давления в самом начале фазы впуска, когда в цилиндр поступает свежий пар.
Опережение
Описанный эффект «паровой подушки» усиливается также тем, что впуск свежего пара в цилиндр начинается несколько раньше, чем поршень достигнет крайнего положения, то есть присутствует некоторое опережение впуска. Это опережение необходимо для того, чтобы перед тем, как поршень начнёт свой рабочий ход под действием свежего пара, пар успел бы заполнить то мёртвое пространство, которое возникло в результате предыдущей фазы, то есть каналы впуска-выпуска и неиспользуемый для движения поршня объем цилиндра.
Простое расширение
Простое расширение предполагает, что пар работает только при расширении его в цилиндре, а отработанный пар выпускается напрямую в атмосферу или поступает в специальный конденсатор. Остаточное тепло пара при этом может быть использовано, например, для обогрева помещения или транспортного средства, а также для предварительного подогрева воды, поступающей в котёл.
Компаунд
В процессе расширения в цилиндре машины высокого давления температура пара падает пропорционально его расширению. Поскольку теплового обмена при этом не происходит (адиабатический процесс), получается, что пар поступает в цилиндр с большей температурой, чем выходит из него. Подобные перепады температуры в цилиндре приводят к снижению эффективности процесса.
Один из методов борьбы с этим перепадом температур был предложен в 1804 году английским инженером Артуром Вульфом, который запатентовал Компаундную паровую машину высокого давления Вульфа . В этой машине высокотемпературный пар из парового котла поступал в цилиндр высокого давления, а после этого отработанный в нем пар с более низкой температурой и давлением поступал в цилиндр (или цилиндры) низкого давления. Это уменьшало перепад температуры в каждом цилиндре, что в целом снижало температурные потери и улучшало общий коэффициент полезного действия паровой машины. Пар низкого давления имел больший объём, и поэтому требовал большего объёма цилиндра. Поэтому в компаудных машинах цилиндры низкого давления имели больший диаметр (а иногда и большую длину) чем цилиндры высокого давления.
Такая схема также известна под названием «двойное расширение», поскольку расширение пара происходит в две стадии. Иногда один цилиндр высокого давления был связан с двумя цилиндрами низкого давления, что давало три приблизительно одинаковых по размеру цилиндра. Такую схему было легче сбалансировать.
Двухцилиндровые компаундные машины могут быть классифицированы как:
- Перекрёстный компаунд - Цилиндры расположены рядом, их паропроводящие каналы перекрещены.
- Тандемный компаунд - Цилиндры располагаются последовательно, и используют один шток.
- Угловой компаунд - Цилиндры расположены под углом друг к другу, обычно 90 градусов, и работают на один кривошип.
После 1880-х годов компаундные паровые машины получили широкое распространение на производстве и транспорте и стали практически единственным типом, используемым на пароходах. Использование их на паровозах не получило такого широкого распространения, поскольку они оказались слишком сложными, частично из-за того, что сложными были условия работы паровых машин на железнодорожном транспорте . Несмотря на то, что компаундные паровозы так и не стали массовым явлением (особенно в Великобритании, где они были очень мало распространены и вообще не использовались после 1930-х годов), они получили определённую популярность в нескольких странах.
Множественное расширение
Упрощённая схема паровой машины с тройным расширением.
Пар высокого давления (красный цвет) от котла проходит через машину, выходя в конденсатор при низком давлении (голубой цвет).
Логичным развитием схемы компаунда стало добавление в неё дополнительных стадий расширения, что увеличивало эффективность работы. Результатом стала схема множественного расширения, известная как машины тройного или даже четверного расширения. Такие паровые машины использовали серии цилиндров двойного действия, объем которых увеличивался с каждой стадией. Иногда вместо увеличения объёма цилиндров низкого давления использовалось увеличение их количества, так же, как и на некоторых компаундных машинах.
Изображение справа показывает работу паровой машины с тройным расширением. Пар проходит через машину слева направо. Блок клапанов каждого цилиндра расположен слева от соответствующего цилиндра.
Появление этого типа паровых машин стало особенно актуальным для флота, поскольку требования к размеру и весу для судовых машин были не очень жёсткими, а главное, такая схема позволяла легко использовать конденсатор, возвращающий отработанный пар в виде пресной воды обратно в котёл (использовать солёную морскую воду для питания котлов было невозможно). Наземные паровые машины обычно не испытывали проблем с питанием водой и потому могли выбрасывать отработанный пар в атмосферу. Поэтому такая схема для них была менее актуальной, особенно с учётом её сложности, размера и веса. Доминирование паровых машин множественного расширения закончилось только с появлением и широким распространением паровых турбин. Однако в современных паровых турбинах используется тот же принцип разделения потока на цилиндры высокого, среднего и низкого давления.
Прямоточные паровые машины
Прямоточные паровые машины возникли в результате попытки преодолеть один недостаток, свойственный паровым машинам с традиционным парораспределением. Дело в том, что пар в обычной паровой машине постоянно меняет направление своего движения, поскольку и для впуска и для выпуска пара применяется одно и то же окно с каждой стороны цилиндра. Когда отработанный пар покидает цилиндр, он охлаждает его стенки и парораспределительные каналы. Свежий пар, соответственно, тратит определённую часть энергии на их нагревание, что приводит к падению эффективности. Прямоточные паровые машины имеют дополнительное окно, которое открывается поршнем в конце каждой фазы, и через которое пар покидает цилиндр. Это повышает эффективность машины, поскольку пар движется в одном направлении, и температурный градиент стенок цилиндра остается более или менее постоянным. Прямоточные машины одинарного расширения показывают примерно такую же эффективность, как компаундные машины с обычным парораспределением. Кроме того, они могут работать на более высоких оборотах, и потому до появления паровых турбин часто применялись для привода электрогенераторов, требующих высокой скорости вращения.
Прямоточные паровые машины бывают как одинарного, так и двойного действия.
Паровые турбины
Паровая турбина представляет собой серию вращающихся дисков, закрепленных на единой оси, называемых ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закрепленных на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в нее подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии . Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения).
Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания.
Другие типы паровых двигателей
Применение
Паровые машины могут быть классифицированы по их применению следующим образом:
Стационарные машины
Паровой молот
Паровая машина на старой сахарной фабрике, Куба
Стационарные паровые машины могут быть разделены на два типа по режиму использования:
- Машины с переменным режимом, к которым относятся машины металлопрокатных станов , паровые лебёдки и подобные устройства, которые должны часто останавливаться и менять направление вращения.
- Силовые машины, которые редко останавливаются и не должны менять направление вращения. Они включают энергетические двигатели на электростанциях , а также промышленные двигатели, использовавшиеся на заводах, фабриках и на кабельных железных дорогах до широкого распространения электрической тяги. Двигатели малой мощности используются на судовых моделях и в специальных устройствах.
Паровая лебёдка в сущности является стационарным двигателем, но установлена на опорной раме, чтобы её можно было перемещать. Она может быть закреплена тросом за якорь и передвинута собственной тягой на новое место.
Транспортные машины
Паровые машины использовались для привода различных типов транспортных средств, среди них:
- Сухопутные транспортные средства:
- Паровой автомобиль
- Паровой трактор
- Паровой экскаватор, и даже
- Паровой самолёт.
В России первый действующий паровоз был построен Е. А. и М. Е. Черепановыми на Нижне-Тагильском заводе в 1834 году для перевозки руды. Он развивал скорость 13 вёрст в час и перевозил более 200 пудов (3,2 тонны) груза. Длина первой железной дороги составляла 850 м.
Преимущества паровых машин
Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового Океана на разных глубинах.
Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга , которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.
Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов.
В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) -х годов, со множеством современных усовершенствований, таких, как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т.д. В результате такие паровозы имеют на 60% меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами.
Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса.
Коэффициент полезного действия
Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определён как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты , содержащейся в топливе . Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла. КПД тепловой машины равен
Поставить пар на службу человечеству люди смогли лишь в самом конце XVII века. Но еще в начале нашей эры древнегреческий математик и механик Герон Александрийский наглядно показал, что с паром можно и нужно дружить. Наглядным подтверждением тому стал Героновский эолипил, фактически, первая паровая турбина - шар, который вращался силой струй водяного пара. К великому сожалению, многие удивительные изобретения древних греков на долгие столетия были прочно забыты. Лишь к XVII столетию относится описание чего-то, похожего на паровую машину. Француз Соломон де Ко (Salomon de Caus), бывший одно время строителем и инженером у Фридриха V Пфальцского, в своем сочинении от 1615 года описал полый железный шар с двумя трубками: принимающей и выводящей жидкость. Если наполнить шар водой и подогреть, то по второй трубке вода начнет подниматься наверх, повинуясь воздействию паров. В 1663 году уже англичанин Эдвард Сомерсет (Edward Somerset), маркиз Уорчестерский, написал брошюру, в которой рассказал о машине, могущей поднимать воду наверх. Тогда же Сомерсет получил патент ("привилегию") на описанную машину. Как видим, все мысли изобретателей Нового времени вращались вокруг выкачивания воды из шахт и копей, что, надо отметить, проистекало из насущной задачи. Поэтому неудивительно, что следующие три изобретателя, о которых пойдет речь ниже, также были в первую очередь озабочены созданием паровой машины для откачки воды. Ближе к самому завершению XVII века два человека в Европе результативнее других работали над укрощением пара - Дени Папен (Denis Papin) и Томас Сэйвери (Thomas Savery).
"Огненная" машина Сэйвери.
Англичанин Сэйвери 2 июля 1698 года получил патент на машину для откачки воды из шахт. В патенте говорилось: "Жалуется привилегия Томасу Сэйвери за проведенное им одним испытания нового изобретения для подъема воды, вращения любых видов мельниц путем сил огня, что будет очень важно для осушения шахт, снабжения городов водой и вращения всех видов мельниц". Опытный образец под названием "Огненный мотор" (Fire engine) в 1699 году был выставлен напоказ в Королевском Научном обществе в Лондоне. Машина Сэйвери функционировала таким образом: герметичный резервуар наполнялся паром, а после внешнюю поверхность резервуара охлаждали холодной водой, из-за чего пар конденсировался, создавая в резервуаре частичный вакуум. Затем вода со дна со дна шахты через заборную трубу засасывалась в резервуар и, после впуска новой порции пара, выталкивалась наружу через выпускную трубу. Стоит отметить, что изобретение Сэйвери походило на машину Сомерсета, и многие полагают, что Сэйвери напрямую отталкивался от последней. К сожалению, у "огненной" машины Сэйвери нашлись недостатки. Самый главный из них - невозможность поднимать воду с глубины более 15 метров, хотя в то время уже существовали шахты, чья глубина превышала 100 метров. Кроме того, машина потребляла очень много топлива, что не было оправдано даже близостью большого количества угля на шахте. Француз Дени Папен, медик по образованию, в 1675 году переехал в Лондон. Папен сделал несколько открытий, которые навечно вписали его имя в историю. Для начала Папен изобретает скороварку - "Папенов котел". Бывший медик смог установить зависимость между давлением и температурой кипения воды. Герметичный котел с предохранительным клапаном благодаря повышенному давлению внутри доводил воду до кипения гораздо позже, поэтому температура обработки продуктов повышалась и последние готовились в разы быстрее. В 1674 году Папен создал пороховой двигатель: в цилиндре воспламенялся порох, отчего поршень внутри цилиндра перемещался. Одна "партия" газов выпускалась из цилиндра через специальный клапан, а другая - охлаждалась. В цилиндре образовывался вакуум (пусть и слабенький), и атмосферное давление опускало поршень вниз. В 1698 году Папен изобретает паровую машину с применением воды, которая нагревалась внутри вертикального цилиндра - образовавшийся пар двигал поршень вверх. Затем цилиндр охлаждали водой, пар конденсировался и возникал вакуум. Все то же атмосферное давление заставляло поршень опускаться. Несмотря на прогрессивность своей машины (наличие поршня), Папен не смог извлечь из нее каких-либо значимых дивидендов, поскольку Сэйвери запатентовал паровой насос, а других способов применения для паровых машин на тот момент не наблюдалось (хотя в патенте Сэйвери и указывалась возможность "вращения мельниц"). В 1714 году, в столице Британской империи, Папен скончался в нужде и одиночестве. Гораздо более удачливым оказался другой англичанин - Томас Ньюкомен (Thomas Newcomen), родившийся в 1663 году. Ньюкомен внимательно ознакомился с работами и Сэйвери, и Папена, отчего смог понять слабые места прежних машин, одновременно взяв от них самое лучшее. В 1712 году вместе со стекольщиком и водопроводчиком Джоном Калли (John Calley) он строит свою первую паровую машину. В ней использовался вертикальный цилиндр с поршнем, как у машины Папена. Однако пар образовывался в отдельном паровом котле, что было схоже с принципом действия "огненной" машины Сэйвери. Герметичность внутри парового цилиндра была повышена за счет кожи, которая закреплялась вокруг поршня. Машина Ньюкомена тоже являлась пароатмосферной, т.е. подъем воды из шахты осуществлялся при воздействии атмосферного давления. Она была довольно громоздкой и "поедала" много угля. Тем не менее, практической пользы машина Ньюкомена приносила несравненно больше, отчего ее почти полстолетия применяли в шахтах. В Англии, например, она позволила вновь открыть заброшенные шахты, которые затопило грунтовыми водами. И еще один яркий пример эффективности машины Ньюкомена - в 1722 году в Кронштадте в сухом доке воду из корабля откачали в течение двух недель, в то время как с устаревшей системой откачки с помощью ветряных мельниц на это ушел бы год. Несмотря на все это, Томас Ньюкомен не получил патент на свою паровую машину из-за патента Сэйвери. Возможность применения паровой машины Ньюкомена с целью приведения в движение транспортного средства конструкторами рассматривалась, в частности, для привода гребного колеса на судне. Однако попытки успехом не увенчались. Изобрести компактную, но мощную паровую машину довелось Джеймсу Уатту (James Watt). В 1763 году Уатту, механику университета Глазго, дали задание починить паровую машину Ньюкомена. В процессе ремонта Уатт приходит к следующей идее - цилиндр паровой машины нужно держать постоянно нагретым, что резко сократит расход топлива. Оставалось лишь понять, как в таком случае конденсировать пар. Осенило Уатта, когда он совершал вечерний моцион возле прачечных. При виде облаков пара, стремящихся выбраться из-под крышек котлов, изобретатель вдруг осознал, что пар является газом, и он должен перемещаться в цилиндр с пониженным давлением. Уатт решительно берется за дело. Он применяет водяной насос и металлические трубки, из которых насос станет откачивать воду и пар, создавая в последних пониженное давление, а оно, из трубок, начнет передаваться в рабочий цилиндр паровой машины. Для рабочего хода Уатт применяет давление пара, отказываясь тем самым от атмосферного давления, что стало большим шагом вперед. Для этой цели, чтобы пар не проходил между цилиндром и поршнем, пеньковой веревкой, пропитанной маслом, обматывали поршень вдоль специальных бороздок. Такой способ позволял добиться достаточно высокой герметичности внутри парового цилиндра. В 1769 году Уатт получил патент на "создание парового двигателя, в котором температура двигателя всегда будет равна температуре пара, несмотря на то, что пар будет охлаждаться до температуры ниже ста градусов". В 1772 году Джеймс Уатт свел знакомство с промышленником Мэтью Болтоном (Mathew Bolton). Этот богатый господин выкупил и возвратил Уатту все его патенты, которые незадачливый изобретатель вынужден был заложить за долги. При поддержке Болтона работа Уатта ускорилась. Уже в 1773-м Уатт испытывает свою паровую машину; она выполняла все ту же функцию парового насоса, но угля требовала гораздо меньше. Видя очевидные преимущества машины Уатта, Болтон открывает совместную с изобретателем компанию по производству паровых машин, и в 1774 году в Англии начинается их выпуск. Реализация паровых машин шла настолько хорошо, что Болтон захотел построить новый прокатный цех, для чего попросил Уатта создать специальную паровую машину - для привода прокатных станков. Уатт блестяще справился с задачей, и в 1781 году запатентовал паровую машину "для осуществления движения вокруг оси с целью приведения в действие других машин". Таким образом, на свет появилась первая паровая машина не для поднятия воды со дна шахт, а для приведения в движение машин. Новая машина Уатта обладала рядом усовершенствований. Например, регулятором для равномерного вращения главного вала паровой машины, а также планетарным механизмом для создания кругового движения. Последний Уатт изобретает потому, что применить кривошипно-шатунный механизм ему не позволяет действующий патент. Но в 1784 году Уатту все же удалось добиться разрешения на использование в паровой машине кривошипно-шатунного механизма. Таким образом, созданная Уаттом первая в мире универсальная паровая машина стала приводить в движение промышленные станки, возвещая о приходе эры паровых машин. Очень скоро пар станет двигать пароходы и поезда, благодаря чему жизнь человека в корне изменится. Огромные заслуги Джеймса Уатта не прошли незамеченными для потомков - в 1819 году приказом английского парламента в Вестминстерском аббатстве великому изобретателю поставили мраморный памятник. Считается, что первый пароход построил американец Роберт Фултон (Robert Fulton) в 1807 году - его корабль с гребным колесом назывался "Клермонт". Поначалу Фултон пытался с помощью пара приводить в движение весла, но затем обратился к более удачной идее колеса. Первое плавание на "Клермонте" Фултон совершил один, поскольку жители окрестностей наотрез отказались сесть в "дьявольски" дымящую посудину. Зато на обратном пути к Фултону все-таки подсел один смелый человек, за что и получил от изобретателя право на пожизненный бесплатный проезд на "Клермонте". Затем рейсы судна Фултона стали обыденностью - "Клермонт" перевозил людей по реке Гудзон от Нью-Йорка до Олбани, развивая скоростью около 5 узлов (9 км/ч). Первый винтовой пароход построил в 1838 году англичанин Френсис Смит (Francis Smith). Использование гребных винтов вместо гребных колес позволило значительно улучшить ходовые качества пароходов. На пароходах постепенно исчезают вспомогательные паруса (вспомним, что в 1819 году американский пароход "Саванна" пересек Атлантический океан по большей части с помощью парусов), а к началу ХХ века в историю уходят и сами парусные корабли. Первый паровоз построил британец Ричард Тревитик (Richard Trevithick). Это была повозка с паровым двигателем, двигающаяся по рельсам со скоростью 7 км/ч и перевозившая состав весом 7 тонн. В 1804 году для испытания паровоза Тревитика в Лондоне построили небольшую рельсовую дорогу. В наше время и пароходы, и паровозы уже давно стали исторической диковинкой, которую, правда, можно встретить в самых разных странах. Так, в Норвегии на озере Мьёс до сих пор функционирует самый старый колесный пароход в мире - "Скибладнер", построенный еще в 1856 году. В свою очередь, паровозы активно эксплуатируются в странах третьего мира, а это значит, что пар по-прежнему верой и правдой служит человечеству."Паровая телега" Кюньо.
Отдельная веха в истории пара - паровые автомобили. Первую действовавшую паровую автомашину ("паровую телегу") построил француз Никола-Жозеф Кюньо (Cugot) в 1769 году. Это была очень тяжелая, весившая более тонны повозка, с управлением которой едва могли справиться два человека. Эстетически машина выглядела не слишком красиво - котел, словно горшок на ухвате, размещался впереди транспорта. "Телега" Кюньо развивала скорость около 2-4 км/ч и могла перевозить до 3 тонн груза. Эксплуатировать ее было сложно - для поддержки давления пара, которое быстро падало, приходилось каждые четверть часа останавливаться и зажигать топку. В конце концов, в очередной испытательной поездке Кюньо и кочегар (между прочим, кочегар по-французски звучит как "шоффер", откуда и произошло затем слово "шофер") потерпели аварию на крутом повороте, отчего котел взорвался, наведя шуму на весь Париж. Кюньо построил новую "телегу", но в массы она не пошла. В 1794 году ее сдали в музей. Значительный вклад в развитие паровых автомашин внес еще один француз - Леон Эммануэль Серполле (Leon Serpollet). В 1875 году он создал небольшую, но мощную автомашину на пару. Леон решил, что воде лучше нагреваться не в котле, а в разогретых трубках, где она превращается в пар очень быстро. Первой работающей машиной Серполле стал двухместный трехколесный экипаж из дерева. Поначалу полиция запрещала французу ездить даже по ночам, но в 1888 году все же сдалась и выдала официальную бумагу с разрешением на поездки. На этом Серполле не остановился. Вместо угля он начинает использовать жидкое топливо, которое подавалось на две горелки. В 1900 году он открывает фирму совместно с американцем Фрэнком Гарднером (Frank Gardner) - Gardner- Serpollet. В 1902 году Серполле создал гоночный паровой автомобиль и установил на нем в Ницце мировой рекорд скорости на суше - 120,77 км/ч. Неудивительно, что на тот момент паровые автомобили вполне удачно конкурировали с бензиновыми и электрическими собратьями. Особенно процветали первые в США, где, например, в 1900 году выпустили 1690 паровых, 1585 электрических и всего 936 бензиновых автомобилей. Паровые авто использовались в США вплоть до 30-х годов ХХ века. В первой половине XIX века также строились паровые тракторы, в частности, с гусеничным ходом. Однако коэффициент полезного действия паровых двигателей равнялся лишь 5%. По этой причине в начале ХХ века паровые двигатели на автомашинах были заменены двигателями внутреннего сгорания. С их помощью автомобили стали более экономичными, легкими и скоростными. Нельзя не упомянуть и о других, менее удачных применениях пара в конце ХIХ - начале ХХ веков. Широкое распространение пароходов, паровозов и паровых автомашин подтолкнуло изобретателей к мысли, что пар можно использовать в авиации и в армии. Увы, пар в этих областях пригодится не смог. Хотя уже к середине ХIХ века насчитывалось несколько попыток создания аэропланов с паровым двигателем. Англичанин Уильям Хенсон (William Henson) построил аппарат "Эриел Стим Кэрридж", обладавший паровым двигателем мощностью 25-30 л.с., который приводил в действие воздушные винты диаметром 3,05 м. Чтобы уменьшить вес машины, обычный котел был заменен системой сосудов конической формы с использованием воздушного конденсатора. В 1844-1847 годах Хенсон безуспешно испытывал свои аэропланы. Все они закончились неудачно. Но уже в 1848 году Джон Стрингфеллоу (John Stringfellow) все-таки построил аэроплан, который оторвался от земли, хотя и не надолго. Апофеозом "паромании" в авиастроении стал аэроплан Хайрема Стивенса Максима (Hayrem Stivens Maxim), который обладал паровой машиной мощностью в 360 л.с., а размерами мог сравниться с двухэтажным домом. Неудивительно, что аэроплан Максима рухнул в одночасье, как и все мечты человека покорить воздух с помощью пара. Хотя, отметим, что в 1896 году американец Сэмюэл Пирпонт Ленгли (Samuel Pierpont Langley) все-таки построил аэроплан с паровым двигателем, который без пилота пролетел примерно километр, пока не израсходовал топливо. Свое творение Ленгли назвал "аэродромом" (в переводе с древнегреческого - "бегущий в воздухе"). Однако к началу ХХ века всем было понятно, что громоздкие паровые двигатели не годятся для воздухоплавания, тем более, что к этому времени на аэропланах отлично себя зарекомендовали бензиновые двигатели - 17 декабря 1903 года в небе появился знаменитый самолет братьев Райт, снабженный бензиновым двигателем. Не лучше обстояли дела с паром в армии. А ведь еще сам Леонардо да Винчи (Leonardo da Vinci) описал пушку, выстреливающую снарядами силой только огня и воды. Великий флорентиец предположил, что длинный медный ствол с ядром, положенный в печь одним концом, сможет выбросить снаряд, если в отсек за ядром впрыснуть немного воды, когда труба сильно разогреется. Леонардо полагал, что вода при такой высокой температуре испарится очень быстро и, став аналогом пороха, вытолкнет ядро на огромной скорости. Стоит отметить, что идея паровой пушки приписывается Архимеду. В рукописях древних упоминается о том, что во время осады Сиракуз в 212 году до нашей эры римские корабли обстреляли из пушек. Но ведь пороха тогда в Европе не было! И Леонардо да Винчи предположил наличие у Архимеда, чьи устройства обороняли Сиракузы, паровых пушек. Проверить эту идею да Винчи решил греческий инженер Иоанис Саккас (Ionis Sakkas). Он построил деревянную пушку, к тыльной части которой закреплялся котел, нагреваемый до 400°С. Как и предлагал Леонардо да Винчи, в специальный клапан подавалась вода, которая, испаряясь мгновенно, врывалась паром в дуло, отчего бетонное ядро в опытах Саккаса улетало на расстояние 30-40 м. Проверить "быль" о пушках Архимеда брались также студенты университета MIT и участники телесериала "Разрушители легенд", правда, без успеха, подобного достижению Саккаса. В XIX веке к пару вновь вернулись, но создать реально боеспособное оружие (пушку либо пулемет) не удалось. В 1826-1829 годах российский инженер-полковник корпуса путей сообщения А. Карелин изготовил медную 7-линейную (17,5 мм) опытную паровую пушку. Стрельба велась шаровыми пулями при помощи водяного пара, скорострельность достигала 50 выстрелов в минуту. Но испытания, проведенные в 1829-м, не впечатлили "приемную комиссию", которая сочла пушку излишне сложной для использования в полевых условиях. В завершение данной статьи нельзя не упомянуть о стимпанке (англ. "steampunk", от "steam" - "пар" и "punk" - "протест"). Это направление научной фантастики описывает эпоху пара времен Викторианской Англии (вторая половина XIX века) и раннего капитализма (начало ХХ века). Соответственно описываются городские пейзажи, персонажи, общественные настроения и т.д. Сам термин появился в 1987 году. Популярность жанр стимпанк приобрел после появления романа "Разностная машина" Уильяма Гибсона и Брюса Стерлинга (1990). Предтечами стимпанка можно назвать Жюля Верна и Григория Адамова. В последние годы появилось много кинофильмов в стиле стимпанк, самые известные из них - "Дикий, Дикий Запад" (1999), "Машина времени" (2002), "Лига выдающихся джентльменов" (2003) и "Ван Хельсинг" (2004). К стимпанку хронологически примыкает дизельпанк - жанр, описывающий технологический мир 20-50-х годов XX века, весьма близкий, надо отметить, к техномиру начала ХХ века.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.