Паровая машина уатта принцип действия: Уатт и паровой двигатель

Уатт и паровой двигатель

«Мне нужен источник энергии получше, — горячился Мэтью Болтон. — Такой, чтоб не уставал, как лошади, и чтоб работал эффективно. » Его мечта сбылась после встречи с Джеймсом Уаттом. На свет появился паровой двигатель.
Пар привел в движение машины, совершившие промышленную революцию. Появились первые поезда и пароходы. С тех пор жизнь людей очень изменилась.

Однажды в 1764 году в шотландском городе Глазго в мастерскую принесли для починки модель парового двигателя. Это была миниатюрная модель двигателя Ньюкомена из коллекции научных экспонатов местного университета. Мастерская принадлежала Джеймсу Уатту — научному консультанту университета, которому в то время было 28 лет.

Однотактное чудо

Джеймс Уатт (1736-1819) произвел переворот в технике, сконструировав первый паровой двигатель с теплообменником

Двигатель Ньюкомена был изобретен примерно пятьюдесятью годами раньше и использовался для откачки воды в горнодобывающих шахтах. По сравнению с ранним паровым насосом этот двигатель был более совершенным, но он работал неэффективно. Он потреблял очень много топлива и сотрясал все вокруг.

Эти недостатки не очень важны, если использовать двигатель на угольной шахте: тут сколько угодно дешевого угля и никому не мешает тряска. Но у других возможных потребителей у кого не было дешевого топлива и кому требовалось, чтобы двигатель работал ровно, эта конструкция интереса не вызывала.

Задавая вопросы

Джеймс Уатт починил университетскую модель двигателя. Он в первый раз видел двигатель Ньюкомена и изучил его с большим интересом. Почему он такой неэффективный? Почему движение сопровождается такой тряской? Почему он потребляет столько угля?

Двигатель Ньюкомена был одноцилиндровым. Внутри цилиндра двигался поршень, соединенный с балансиром, который приводил в движение насос. Пар из котла попадал в цилиндр снизу и заставлял подниматься поршень, а тот, в свою очередь,— балансир. Затем в цилиндр подавалась холодная вода — пар конденсировался,давление, падало, и поршень опускался. Каждый раз, когда внутрь поступает холодная вода, пар конденсируется, и топливо, затраченное на то, чтобы произвести этот пар, пропадает напрасно. Для очередного подъема поршня нужен новый пар — значит, нужно снова нагревать котел, расходуя дополнительное топливо.

Сокращая расходы на топливо

Решение, предложенное Уаттом, заключалось в следующем: надо добавить второй цилиндр, называемый теплообменником, и соединить его с первым. Отработанный пар будет конденсироваться в теплообменнике, а первый цилиндр будет все время оставаться горячим — это сэкономит количество потребляемого топлива. На деле оказалось, что двигатель Уатта расходует лишь четверть того количества топлива, которое требовалось раньше.

Джеймс Уатт был ученым и изобретателем, а не бизнесменом. Если бы не Мэтью Болтон, замыслы Уатта так бы и остались в чертежах. Появившийся на свет при финансовой поддержке Болтона теплообменник был только первым вкладом Уатта в конструкцию паровой машины, за которым последовали другие. Промышленная революция свела вместе изобретателей, у которых были интересные идеи, и деловых людей, у которых были капиталы, чтобы воплотить эти идеи в конкретные дела, приносящие доход.

Его идеи не сразу принесли ему славу и богатство. Подобно многим другим изобретателям, Уатт не мог найти денег, чтобы воплотить свои замыслы в жизнь. Прошло двенадцать лет, прежде чем был продан первый из его двигателей. В 1776 году Уатт стал партнером бирмингемского промышленника Мэтью Болтона (1728—1809), и Болтон помог ему наладить производство паровых машин.

И это было только начало. Уатт продолжал улучшать и совершенствовать механизм и наконец изобрел способ преобразовывать поступательное движение поршня во вращательное.

ФАКТЫ И СОБЫТИЯ

• Первым паровым двигателем, использовавшимся в промышленности, был «Друг горняка». Он был запатентован в 1698 году Томасом Сэвери, горным инженером из Корнуолла.
• Когда Джеймс Уатт строил модель своего первого двигателя, он очень торопился. Не найдя необходимой детали, он взял у жены наперсток, чтобы закрыть им конец трубы.
• До своей встречи с Болтоном Уатт настолько потерял веру в успех, что отказался от идеи создания паровой машины и четыре года работал на строительстве каналов в Шотландии.
• Заслуги Уатта не ограничиваются тем, что он усовершенствовал паровую машину. Он изобрел способ копирования документов, основанный на химических процессах, который широко использовался на протяжении последующих ста пет.
• В 1784 году Уатт провел в свою контору трубы из котельной и пустил по ним горячий пар. Таким образом пар был впервые использован для центрального отопления.
• В 1789 году Уатт изобрел регулятор- устройство, позволяющее контролировать скорость работы паровой машины. Это позволило поддерживать постоянную скорость, не зависящую от температуры котла, и облегчило работу.
• В XIX веке в честь Джеймса Уатта была названа единица мощности — ватт.

Пар завоевывает мир

Паровая машина Ньюкомена, впервые установленная в 1712 году.

Это был настоящий прорыв. Вращательное движение могло найти гораздо более широкий круг применений. От коленчатого вала можно при помощи приводных ремней передать движение на ткацкие и другие станки. Теперь пар мог заставить крутиться колеса самодвижущихся экипажей.

Первые попытки использовать пар для создания новых средств передвижения были предприняты в 70-х годах XVIII века. Эти машины передвигались по дорогам, но пройдет немного времени, и люди найдут другое применение паровому двигателю— железные дороги. Уатт дожил до 1819 года и мог увидеть начало промышленной революции, которую подтолкнуло его изобретение, но он не дожил шести лет до начала эры железных дорог.

Век пара

К середине XIX столетия всю промышленность «двигал пар». Теперь все, от тканей до пушек, производили с помощью паровых машин. Паровозы тянули поезда; даже оборудование для строительства железных дорог оснащалось паровыми двигателями. И на море парус постепенно сдавал свои позиции паровой машине.

Однако промышленная революция заключалась не только в изменении технологии производства, хотя это и было важно. Строительство новых машин и фабрик требовало денег, которые надо было заплатить задолго до того, как фабрики начнут приносить прибыль. Точно так же, как Уатту для финансовой поддержки его замыслов был нужен Болтон, для успеха промышленной революции нужны были богатые люди, готовые вложить свои деньги в дело.

Промышленная революция стала также революцией капиталистической. Начали основываться компании, банки поспешили вкладывать деньги в промышленность, появились деловые люди, зарабатывающие на жизнь тем, что сводили вместе научные идеи и капиталы.

Французский военный инженер Жозеф Кюньо построил повозку, приводимую в движение паром, около 1771 года. Она могла ехать со скоростью 3,6 км/ч и при этом везти четырех человек.

Победители и проигравшие

А что же стало с простыми людьми, которые не были ни изобретателями, ни банкирами, ни капиталистами? Паровой двигатель изменил жизнь многих из них. В XVIII веке ткани, например, производились в небольших мастерских на оборудовании, приводившемся в движение вручную. Очень часто в мастерской работала одна семья. На новых фабриках ткани стали делать на станках, работающих от парового двигателя. Работа была несложная и не требовала большого умения, поэтому рабочих-мужчин заменили женщины и даже дети.

Появилось много новых рабочих мест, но труд на фабриках был изматывающим и монотонным. Люди начали стекаться в большие промышленные города, где им приходилось жить в ужасной тесноте и дышать отравленным воздухом, потому что фабричные трубы изрыгали тучи дыма и копоти. В то же время промышленности требовалось все больше и больше угля, шахтерам приходилось опускаться все глубже под землю, и их труд становился все опаснее.

На смену пару

Эпоха паровых машин закончилась в 50-х годах нашего века. Она длилась больше 150 лет. Сегодня промышленность работает на электричестве. Больше нет пароходов, а топливом для машин и поездов служит нефть. Но огромные изменения, происшедшие за последние два века, были начаты Джеймсом Уаттом и его паровым двигателем.

Не все эти изменения были к лучшему. Соперничество между промышленными державами привело в XX веке к двум мировым войнам. До сих пор существует гигантская пропасть между промышленно развитыми странами и остальным миром. Миллионы людей, работающих на фабриках, хотели бы иметь возможность зарабатывать себе на жизнь как-нибудь по-другому. Когда Джеймс Уатт усовершенствовал двигатель Ньюкомена, он положил начало тем изменениям, что неузнаваемо преобразили облик мира.

Джеймс Уатт | Блог инженера теплоэнергетика

Здравствуйте, друзья! Имя Джеймса Уатта неразрывно связано с паровой машиной. Конечно, строго говоря, Уатт не был изобретателем паровой машины, подобные устройства были и до него. Но именно Уатт привел конструкцию к такому виду, что паровую машину стали широко применять в промышленности. Джеймс Уатт родился 19.01.1736 года в Шотландии, в Гриноке. Его отец был судовладельцем и кораблестроителем, а мать происходила из знатной фамилии. Уатт имел слабое здоровье от природы, и по причине этого не учился вместе со своими сверстниками в начальной школе.Однако родители занимались с ним, научили его читать, писать, арифметике. Кроме того, и сам Джеймс был склонен к наукам и учился с удовольствием. После того как подошел возраст окончания начальной школы, Джеймс поступает в гимназию, где много читает, занимается математикой, физикой. Отличительной особенностью Уатта как ученика было то, что он пытается применить полученные знания на практике.

         В 1755 г. Уатт уезжает в Лондон, где учится на механика и занимается ремеслом, связанным с математическим и астрономическими инструментами. Через год Уатт возвращается в Шотландию, и устраивается механиком в университете Глазго. В 1763 году Уатту предложили отремонтировать принадлежавший университету образец паровой машины Ньюкомена. Любознательный Уатт естественно согласился. Что же представляла из себя паровая машина Томаса Ньюкомена?

       Паровой цилиндр размещался у этой машины над котлом. Поршневой шток, то есть 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 на другом конце балансира. В тоже время движению поршня помогал пар, который запускали в это время в цилиндр.

      В тот момент, когда поршень находился в крайнем верхнем положении, закрывали кран, впускавший пар из котла в цилиндр, и запускали воду в цилиндр. Вода быстро охлаждала пар, он конденсировался, и давление внутри цилиндра падало. Таким образом, создавалась разница давлений внутри цилиндра и вне его. Силой атмосферного давления поршень двигался вниз, совершая при этом полезную работу, а именно приводил в движение балансир, который двигал шток насоса. То есть полезная работа совершалась только при движении поршня вниз. Затем снова запускали пар в цилиндр, поршень опять поднимался вверх, запускали воду и т.д., и весь цикл машины происходил заново.

         Получалось, что полезную работу в этой паровой машине совершало атмосферное давление, а пар нужен был только для создания разреженного пространства. Главный недостаток паровой машины Т.Ньюкомена это то, что рабочий цилиндр в ней являлся одновременно и конденсатором. Цилиндр то нагревали, то охлаждали вновь, и расход топлива для такой машины был большой, а КПД низкий. Однако эта машина довольно широко применялась, в основном для откачки воды в угольных шахтах.

       Отремонтировав паровую машину, Уатт попробовал ее на практике, и ему стала очевидна главная слабость конструкции машины, а именно попеременное нагревание и охлаждение цилиндра. Большая часть энергии терялась впустую. После ряда экспериментов с машиной Ньюкомена Уатту стало ясно, что для того чтобы машина работала лучше, нужно чтобы цилиндр был постоянно в нагретом состоянии.

         Но куда в этом случае конденсировать охлаждаемый пар? Далеко не сразу он смог решить эту задачу. Как то, проходя мимо прачечной, Уатт увидел облака пара, вырывавшихся из окошек. И тут ему пришла мысль. Вот оно!!! Нужно создать отдельный сосуд, цилиндр с разрежением, куда и нужно отводить пар из рабочего цилиндра, еще до его конденсации. Ведь при этом расход пара на полезную работу снижается, а КПД машины повышается.

        Позднее Джеймс Уатт усовершенствовал конструкцию, покрывая рабочий цилиндр и конденсатор теплоизоляционными материалами. Итак, главное было сделано, конструктивно паровая машина была придумана.

Но как это бывает, от гениальной идеи до ее реализации большой путь. Но Уатту удалось претворить свою идею в жизнь. Много работал он и над усовершенствованием своего изобретения.

        В конечном итоге ждал Джеймса Уатта и коммерческий успех, особенно после того, как ему удалось при помощи кривошипного механизма преобразовать колебательное движение балансира в своей машине во вращательное. Такой двигатель уже мог быть применен для привода множества машин в промышленности. А это уже было начало Промышленной революции. Жизнь свою Уатт закончил очень обеспеченным человеком.

       Конечно, за свою долгую и плодотворную жизнь этот гениальный изобретатель занимался не только паровой машиной. Так, например, это именно он ввел первую единицу мощности – «лошадиную силу». К числу его изобретений относятся: ртутный манометр, водомерное стекло в котлах, копировальные чернила, индикатор давления.

         Заслуги Джеймса Уатта были признаны еще при жизни, он был почетным членом академий нескольких стран. Приглашали его на работу и в Россию, предлагая ему ежегодное жалованье 1000 фунтов стерлингов, большие деньги по тем временам. Уатт не согласился на это предложение. После смерти Джеймса Уатта в 1819 году ему был поставлен памятник в Вестминстерском аббатстве. В честь Уатта названа единица мощности Ватт, а также на банкноте в 50 евро его изображение. Так что заслуги Джеймса Уатта признаны по праву.

Буду рад комментариям к статье.

Дополнение статьи «Паровые машины»

Всем привет! Мы продолжаем. Первая часть была тут.

Эльсницкий музей горного дела. Машина в рабочем состоянии, с её помощью опускают и поднимают клеть в шахте.

Наш современник, испанский историк и инженер Nicolas Garcia Tapia,

в своей книге ‘JERONIMO DE AYANZ Y BEAUMONT’
Книгу можно купить на Амазоне.
Ещё вот тут

пишет о том, что испанский изобретатель Jerónimo de Ayanz y Beaumont (годы жизни 1553-1613) построил в 1606 году паровое устройство для подъёма воды на высоту.

О де Аянсе Йеронимо де Аянс был военным, художником, космографом, музыкантом и прежде всего изобретателем. (обладатель «привилегий на изобретения» (патент — по нынешнему) на 48 устройств, подписанный Филиппом III).
Занимался разработкой научных приборов, металлических роликов для ветряных мельниц, металлургических печей, водолазного колокола и гидрокостюма (2 августа 1602 года, он погружался в этом гидрокостюме в реку Писуэрга и пробыл под водой в течение часа), подводной лодки, а также арочных плотин, точных весов (в документах говорится о том, что он мог взвесить муху), дистиллятора, поршневых насосов и т.д.

Вот тут можно почитать…

Чуть-чуть иллюстраций

Подводная лодка… (в прямом смысле слова)

Эскиз и рукопись, принадлежат перу Йеронимо де Аянса.

Наглядное изображение машины де Аянса. Пар из котла (D) поступал через открытый кран в ёмкость (2) и выдавливал воду наверх. В то же время, ёмкость (1) наполнялась водой из ёмкости (В).После чего, открытые краны закрывались, закрытые наоборот открывались и теперь уже пар выдавливал воду из ёмкости (1), а ёмкость (2) наполнялась новой порцией воды. В котёл, воду доливали по мере надобности. Благодаря двум ёмкостям, (а не одной) достигалась равномерная работа.

Таким образом получалось поднять воду на определённую высоту, например на верхние этажи замка. Или лить воду на водяное колесо, а от колеса приводить что-то в движение. В последствии, Томас Севери при постройке своей машины, использовал работы де Аянса.

Работая механиком университета Глазго, в 1765 году Джеймс Уатт, на основе модели машины Ньюкомена, собрал модель паровой машины с конденсатором.

В ~1768 году, на шахте горнозаводчика Джона Робака (Робак интересовался паровыми машинами и некоторое время финансировал Уатта ), была построена, большая модель машины Уатта, на которую он получил в 1769 году свой первый патент (в заявке на патент, Уатт определил свое изобретение как «новый метод уменьшения расхода пара, а следовательно, и топлива в огненных машинах»).

Как всё начиналось… Зимой 1763 года к Уатту обратился профессор физики Джон Андерсон с просьбой наладить модель паровой машины Ньюкомена.
Модель машины Ньюкомена, с которой экспериментировал Уатт

Макет был оснащен цилиндром (диаметр 5 см) с рабочим ходом 15 см. Уатт провел ряд экспериментов, в частности, заменил металлический цилиндр на деревянный, смазанный льняным маслом и высушенный в печи, уменьшил количество поднимаемой за один цикл воды и макет, наконец, заработал. При этом Уатт убедился в неэффективности машины.
В каждом новом цикле часть энергии пара постоянно тратилась на нагрев цилиндра, так как на следующем такте в цилиндр впрыскивалась холодная вода (чтоб сконденсировать пар).
Проведя ряд опытов с кипящей водой, Уатт пришёл к выводу:
«…Для того чтобы сделать совершенную паровую машину, необходимо, чтобы цилиндр был всегда горяч, как и входящий в него пар; но с другой стороны, конденсация пара для образования вакуума должна была происходить при температуре не выше 30 градусов Реомюра» (38 по Цельсию).

Все паровые машины того времени были атмосферного типа. Давлением пара поршень поднимался вверх (при этом сторона (S) балансира, опускалась под собственным весом), после этого пар в цилиндре охлаждался струёй воды, образовывался вакуум и поршень (под действием атмосферного давления) опускался вниз. Уатт сделал вывод, что мощность машин можно существенно увеличить, если использовать не атмосферное давление, а давление пара. Основная идея, отличающая машину Уатта от машины Ньюкомена, заключалась в изолированной камере для конденсации (охлаждения пара).

Благодоря тому, что в машине Уатта конденсатор(С) был отделён от рабочего цилиндра(Р) (теперь его не нужно было постоянно нагревать и охлаждать), удалось увеличить КПД.

Спустя некоторое время Джон Робак потерпел банкротство и новым компаньоном Уатта стал английский промышленник Мэттью Болтон. Приблизительно с 1775 года началась их совместная деятельность.

Болтон и Уатт обсуждают производство паровых машин на заводе в Сохо

Что характерно…

Следующим шагом к усовершенствованию машины, была герметизация верхней части цилиндра и подача пара не только в нижнюю, но и в верхнюю часть

цилиндра. Сложность изготовления большого цилиндра с плотно пригнанным поршнем, была решена Джоном Уилкинсоном, который разрабатывал станки для изготовления пушечных стволов.

Так Уаттом и Болтоном, была построена паровая машина «двойного действия». С ~1776 года, машина стала выпускаться серийно.

В машине по-прежнему использовался вакуум, но пар, теперь подавался попеременно в обе полости цилиндра. Стенки цилиндра были теплоизолированы от внешней среды.

Машина Уатта хоть и стала эффективнее машины Ньюкомена, но КПД, всё ещё был черезвычайно низок (1-2%). Работала машина рывками и потому могла использоваться только как насос.

Чтобы паровая машина могла приводить в действие другие устройства, необходимо было приспособить колесо (в качестве маховика) и добиться равномерного вращения. Такой двигатель был разработан Уаттом в ~1781 году.

В первую очередь нужно было жёстко связать поршень и балансир (до этого момента использовались цепь или верёвка).
Уатт предполагал осуществлять передачу от поршня к балансиру с помощью зубчатой полосы, а на балансире поместить

зубчатый сектор.

Эта система оказалась ненадёжной и Уатт был вынужден от неё отказаться.
Колесо же, планировалось приводить в движение средствами

От использования «кривошипного механизма совместно с маховиком» тоже пришлось отказаться, эта система уже была запатентована (в 1780 году) Джеимсом Пикардом, предложившим Уатту кросс-лицензирование, но Уатт отказался от этого предложения. Чтобы избежать юридических трудностей, он использовал в своей машине планетарную передачу.

Двигатель Уатта (1788)

При создании машины с непрерывным вращательным движением, Уатту пришлось решать ряд нетривиальных задач и в последующие годы, он сделал много улучшений и изменений:

Параллелограмм Уатта Механизм Уатта был изобретён для придания тяге поршня прямолинейного движения.
Уатт очень гордился этим изобретением и упоминал об этом в своём письме сыну.
Справедливости ради надо сказать, что этот механизм не создавал абсолютно прямолинейного движения.


Паровой двигатель построенный по патенту Джеймса Уатта в 1848 году в Фрайберге в Германии.
Большое фото
Это принцип и по сей день применяется на некоторых современных автомобилях для удерживания заднего моста.
Дроссельный клапан Дроссельный клапан применялся для управления мощностью двигателя, путём регулирования количества поступающего пара в цилиндр. Центробежный регулятор Принцип действия центробежного регулятора простой — чем быстрее крутится вал, тем выше расходятся грузы под действием центробежной силы и тем сильнее перекрывается паропровод. Грузы опускаются — паропровод открывается. Уатт адаптировал регулятор для паровой машины.

Золотник Для подачи пара в разные полости цилиндра, Уатт использовал автоматически действующий золотник.

Коробчатый золотник представляет собой перевёрнутую коробку 1, попеременно перемещаемую золотниковой тягой 2 вправо и влево по золотниковому зеркалу 3 с прямоугольными окнами 4 и 5. В зависимости от положения золотника, окна сообщаются или с замкнутым пространством 6, окружающим золотник и заполненным рабочим телом, или с полостью 7, соединённой с атмосферой.

После всех этих усовершенствований Уатт построил вот такую машину.

Кривошипный механизм был заменён планетарной передачей, а зубчатая рейка и зубчатый балансир «параллелограммом Уатта».
Позже, когда истёк срок патента на кривошипный механизм, принадлежащий Джеимсу Пикарду, Уатт применил его на своей машине…


Основываясь на трудах своих предшественников и благодаря собственному таланту, Уатту удалось создать «универсальный паровой двигатель» с непрерывным вращательным движением, который в течение долгого времени оставался неизменным и подвергался лишь частичным доработкам.

С этого момента Технический Прогресс, так долго и мучительно прокладывающий себе путь сквозь бездну столетий, расправил могучие плечи и устремился в Будущее!!!

… А дальше были…
Паровые игрушки…
Паровые велосипеды…
Паровые автомобили…
Паровые самолеты…
Пароходы…
Паровозы…
Паровая турбина…

Лошадиная сила… Для измерения мощности паровых машин, Уатт ввел понятие «лошадиная сила«, которая в качестве общепринятой единицы мощности используется и по настоящее время.
Одну из машин Уатта купил пивовар, чтобы заменить ею лошадь, которая приводила в действие водяной насос. При выборе необходимой мощности паровой машины пивовар определил рабочую силу лошади как восьмичасовую безостановочную работу до полного изнеможения лошади. Расчет показал, что каждую секунду лошадь поднимала 75 кг воды на высоту 1 метр, что и было принято за единицу мощности в 1 лошадиную силу. Патенты Здесь написано, что патент на «использование кривошипного механизма совместно с маховиком» принадлежал Джеймсу Тибериусу Кирку Пикарду.
А здесь, что изобретателем кривошипного механизма является Уильям Мердок.
Непонятная ситуация и с «планетарной передачей», то ли Пикард её придумал/запатентовал, то ли Мердок, то ли ещё кто-то. Хотя на самом деле вот, а истина где-то рядом…
Вообще с патентами у них там целая карусель, в которой принимал участие сын Уатта, Джеймс Уатт младший, утверждающий, что «всё на свете» придумал его отец.
Разбираться в этом болоте несимметричных формул кто, кому должен, мне, уж извините, совершенно не интересно.

Ссылки

» An Early Experiment in Industrial Organisation
» JAMES WATT By Andrew Carnegie
» ENCYCLOPEDIA BRITANNICA
» Basalla, George (1988) The Evolution of Technology
» Burstall, Aubrey F. (1963) A History of Mechanical Engineering
» Много литературы

На этом, пожалуй, всё. Всем спасибо за внимание.

Автор: starikstd

Источник

Джеймс Уатт и его паровая машина: описание, принцип действия

Джеймс Уатт был тем, чья работа стала кульминационной в промышленной революции для Англии и всего мира. Инженер и изобретатель из Шотландии занимался усовершенствованием машины Ньюкомена, в результате чего изобрел свой двигатель универсального назначения.

Ранние годы

Джеймс Уатт родился в семье строителя кораблей и создателя различных механизмов Джеймса. Его мать, Агнес, была представительницей богатого рода, в свое время она получила отличное образование.

На свет будущий изобретатель появился 19.01.1736 г. Мальчик родился очень болезненным, поэтому начальное образование получал дома от родителей. Ребенок не мог играть со сверстниками из-за слабого здоровья, поэтому основную часть своего времени он тратил на самообразование.

В подростковом возрасте его любимыми предметами были астрономия и химия. Также он любил изготавливать модели механизмов, которые создавал его отец.

По достижении возраста выпускника начальной школы Джеймс поступил в гимназию. Он демонстрировал большие успехи в математике. Юноша любил читать и многое из этого он стремился проверить на практике.

В восемнадцатилетнем возрасте юноша потерял мать. Это отразилось на здоровье и делах отца, поэтому Джеймсу пришлось заботиться о себе самостоятельно. Молодой человек на год переехал из Шотландии в Лондон, чтобы обучиться ремеслу, которое имело отношение к измерительным приборам. Официальное обучение должно было проходить на протяжении семи лет, но денег у Джеймса хватило лишь на один год. Начал он свое обучение с изготовления линеек и циркулей. В скором времени молодой ученик уже мог изготавливать квадранты, геодолиты и другие сложные инструменты.

За этот год юноша практически не выходил на улицу. Все время он работал: по утрам — на хозяина, а вечерами — на заказ. Так он мог прокормить себя. К тому же из-за того, что он не числился официальным учеником, на улице его могли насильно забрать в военный флот.

Первая работа

Окончив обучение, Джеймс Уатт с ослабленным здоровьем вернулся в Шотландию. Он решил организовать собственное дело в Глазго, которое заключалось в создании и починке инструментов. Но ему пришлось столкнуться с союзом ремесленников, которые запретили ему заниматься этой работой. Причиной стало то, что Джеймс не прошел официального обучения. Не помогло даже то, что он являлся единственным представителем своего дела в Шотландии.

Но молодого человека спасает случай. В это время в университет Глазго прибыла партия инструментов для занятий астрономией. Они требовали постоянного внимания, включая и установку. Через своих знакомых Уатт получает возможность работать. Его назначили мастером научных инструментов учебного заведения. У него появилась возможность создать свою мастерскую.

В учебном заведении Джеймс знакомится с Джозефом Блэком, который занимался химией. Мастер помогает ученому в разработке некоторых химических приборов, которые продвинули дальнейшие исследования химика.

С 1759 года дела Уатта улучшились. Этому способствовало партнерство с бизнесменом Джоном Крейгом. Они организовали работу по производству различных инструментов и игрушек. Доход изобретателя значительно увеличился. Их партнерство прекратилось через шесть лет из-за смерти Крейга.

Период изобретательства

Паровая машина Ньюкомена существовала уже несколько десятилетий. Чаще всего ее применяли для откачки воды. Никто до этого даже не пытался ее усовершенствовать. С 1759 года идеей применения пара заинтересовался Уатт, но его попытки были неудачными.

В 1763 году к мастеру обратился представитель университета в Глазго с просьбой помочь в ремонте действующего макета творения Ньюкомена. Уатт смог провести с ней ряд экспериментов. Он смог починить макет и убедиться в неэффективности этой машины. Уатт внес в конструкцию определенные усовершенствования, однако этого было недостаточно.

Спустя два года Джеймс Уатт догадался, как можно создать совершенную паровую машину. Он начал внедрять в жизнь задуманное. В 1769 году он оформил патент на изолированную камеру для конденсации. Он смог построить действующую модель, которая работала по этому принципу. Для создания полноразмерной машины у него не было средств. В этом помогли Джозеф Блэк, Джон Робак. Проблемы не закончились, поскольку невозможно было добиться необходимой точности в производстве цилиндра и поршня. К тому же Робак стал банкротом.

Уатт нашел нового спонсора. Им стал Мэттью Болтон, который владел литейным заводом. Проблему в создании цилиндра решил Джон Уилкинсон. Коммерческий успех от своего изобретения Уатт получил благодаря созданию совместной компании с Мэттью Болтоном, которая действовала двадцать пять лет и принесла изобретателю большое состояние.

Уатт стремился не просто усовершенствовать машину Ньюкомена, он хотел создать модель с универсальным двигателем. Все его попытки привели к новому методу в работе паровой машины, который он запатентовал под названием планетное движение. Именно на этом методе стала работать первая паровая машина Джеймса Уатта.

После успеха новой машины начались множественные попытки ее подделать. В борьбе за репутацию собственного дела Уатт и Болтон вынуждены были тратить немалые денежные средства на судебные тяжбы. В результате они смогли отстоять свои права.

Значение изобретения

Патент на двигатель Джеймса Уатта был зарегистрирован в 1769 году. В документе было определено, что автор патента изобрел не новую машину, а паровой двигатель. Уатт до конца не понимал, насколько значимым в будущем станет его усовершенствование.

Значимость изобретения заключалась в том, что в двигателе поршень перемещался под действием пара. Благодаря этому можно было многократно увеличивать мощность, создавая большее давление. Больше не было необходимости наращивать габариты. Благодаря изобретению стало возможным создание паровоза, а чуть позже и парохода.

Признание заслуг

Еще при жизни изобретателя машина Джеймса Уатта произвела революцию в промышленности. Неудивительно, что его избирали представителем многих обществ. Его даже хотели наградить баронским титулом, но он от него отказался.

Общества, в которые был избран Уатт:

• Королевское общество в Эдинбурге.
• Философское общество в Роттердаме.
• Член-корреспондент Французской академии.
• Лунное общество в Бирмингеме – неофициальная организация для ученых британского Просвещения.

Последние годы

Биография Джеймса Уатта доказывает, насколько разносторонней личностью он был. Разнородности его познаний искренне удивлялся писатель Вальтер Скотт, который был лично знаком с изобретателем.

В последние годы жизни Уатт занимался машиной собственного производства, которая могла копировать скульптурные произведения, такие как барельефы, статуи, сосуды и прочее.

Умер мастер 19.08.1819 г., на восемьдесят третьем году жизни. Похоронили его в Хэндсворте.

Семья и дети

Джеймс Уатт, изобретения которого совершили прорыв в промышленности, был женат дважды. Его первая жена, Маргарет Миллер, умерла в 1772 году, родив ему их пятого ребенка. Но до зрелой жизни дожили лишь двое детей, которых звали, как и родителей, Джеймс и Маргарет.

Второй женой стала Энн МакГрегор в 1777 году. Их совместных детей звали Грегори и Джэнет.

Интересный факт

Уатт предлагал использовать в качестве единицы измерения мощности название «лошадиные силы». Однако в 1882 году по инициативе Британской ассоциации инженеров было принято решение присвоить единицу мощности именем изобретателя. С этого времени в технике принято пользоваться Ваттами. Подобное случилось впервые в истории техники.

История паровых машин

Статья опубликована 19.05.2014 05:36

Последняя правка произведена 19.05.2014 05:58

Паровая машина

О истории развития парового двигателя, достаточно подробно описано в этой статье. Тут же — наиболее известные решения и изобретения времен 1672-1891 года.

Первые наработки.

Начнем с того, что еще в семнадцатом веке пар стали рассматривать как средство для привода, проводили с ним всяческие опыты, и лишь только в 1643 году Эванджелистом Торричелли было открыто силовое действие давления пара. Кристиан Гюйгенс через 47 лет спроектировал первую силовую машину, приводившуюся в действие взрывом пороха в цилиндре. Это был первый прототип двигателя внутреннего сгорания. На аналогичном принципе устроена водозаборная машина аббата Отфея. Вскоре Дени Папен решил заменить силу взрыва на менее мощную силу пара. В 1690 году им была построена первая паровая машина, известная также как паровой котел.

Она состояла из поршня, который с помощью кипящей воды перемещался в цилиндре вверх и за счет последующего охлаждения снова опускался – так создавалось усилие. Весь процесс происходил таким образом: под цилиндром, который выполнял одновременно и функцию кипятильного котла, размещали печь; при нахождении поршня в верхнем положении печь отодвигалась для облегчения охлаждения.

Автомобиль Куньо Реактивный автомобиль Ньютона Паровая машина Фербиста Превью — увеличение по клику.

Позже два англичанина, Томас Ньюкомен и Коули – один кузнец, другой стекольщик, – усовершенствовали систему путем разделения кипятильного котла и цилиндра и добавления бака с холодной водой. Эта система функционировала с помощью клапанов или кранов – одного для пара и одного для воды, которые поочередно открывались и закрывались. Затем англичанин Бэйтон перестроил клапанное управление в подлинно тактовое.

Применение паровых машин на практике.

Машина Ньюкомена вскоре стала известна повсюду и, в частности, была усовершенствована, разработанной Джеймсом Уаттом в 1765 году системой двойного действия. Теперь паровая машина оказалась достаточно завершенной для использования в транспортных средствах, хотя из-за своих размеров лучше подходила для стационарных установок. Уатт предложил свои изобретения и в промышленности; он построил также машины для текстильных фабрик.

Первая паровая машина, используемая в качестве средства передвижения, был изобретена французом Николя Жозефом Куньо, инженером и военным стратегпм-любителем. В 1763 или 1765 году он создал автомобиль, который мог перевозить четырех пассажиров при средней скорости 3,5 и максимальной – 9,5 км/час. За первой попыткой последовала вторая – появился автомобиль для транспортировки орудий. Испытывался он, естественно, военными, но из-за невозможности продолжительной эксплуатации (непрерывный цикл работы новой машины не превышал 15 минут) изобретатель не получил поддержки властей и финансистов. Между тем в Англии совершенствовалась паровая машина. После нескольких безуспешных, базировавшихся на машине Уаттa попыток Мура, Вильяма Мердока и Вильяма Саймингтона, появилось рельсовое транспортное средство Ричарда Тревисика, созданное по заказу Уэльской угольной шахты. В мир пришел активный изобретатель: из подземных шахт он поднялся на землю и в 1802 году представил человечеству мощный легковой автомобиль, достигавший скорости 15 км/час на ровной местности и 6 км/час на подъеме.

Паровая Карета Гарни Карета Хилла Паровая карета Превью — увеличение по клику.

Приводимые в движение паром транспортные средства все чаще использовались и в США: Натан Рид в 1790 году удивил жителей Филадельфии своей моделью парового автомобиля. Однако еще больше прославился его соотечественник Оливер Эванс, который спустя четырнадцать лет изобрел автомобиль-амфибию. После наполеоновских войн, во время которых «автомобильные эксперименты» не проводились, вновь началась работа над изобретением и усовершенствованием паровой машины. В 1821 году ее можно было считать совершенной и достаточно надежной. С тех пор каждый шаг вперед в сфере приводимых в движение паром транспортных средств определенно способствовал развитию будущих автомобилей.

В 1825 году сэр Голдсуорт Гарни на участке длиной 171 км от Лондона до Бата организовал первую пассажирскую линию. При этом он использовал запатентованную им карету, имевшую паровой двигатель. Это стало началом эпохи скоростных дорожных экипажей, которые, однако, исчезли в Англии, но получили широкое распространение в Италии и во Франции. Подобные транспортные средства достигли наивысшего развития с появлением в 1873 году «Реверанса» Амедэ Балле весом 4500 кг и «Манселя» – более компактного, весившего чуть более 2500 кг и достигавшего скорости 35 км/час. Оба были предвестниками той техники исполнения, которая стала характерной для первых «настоящих» автомобилей. Несмотря на большую скорость кпд паровой машины был очень маленький. Болле был тем, кто запатентовал первую хорошо действующую систему рулевого управления, он так удачно расположил управляющие и контрольные элементы, что мы и сегодня это видим на приборном щитке.

транспортное средство Болле-Марселя Машина Бордино Превью — увеличение по клику.

Несмотря на грандиозный прогресс в области создания двигателя внутреннего сгорания, сила пара все еще обеспечивала более равномерный и плавный ход машины и, следовательно, имела много сторонников. Как и Болле, который построил и другие легкие автомобили, например Rapide в 1881 году со скоростью движения 60 км/час, Nouvelle в 1873 году, которая имела переднюю ось с независимой подвеской колес, Леон Шевроле в период между 1887 и 1907 годами запустил несколько автомобилей с легким и компактным парогенератором, запатентованным им в 1889 году. Компания De Dion-Bouton, основанная в Париже в 1883 году, первые десять лет своего существования производила автомобили с паровым двигателями и добилась при этом значительного успеха – ее автомобили выиграли гонки Париж-Руан в 1894 году.

Машина Хенкока Трехколесник Пекори Превью — увеличение по клику.

Успехи компании Panhard et Levassor в использовании бензина привели, однако, к тому, что и De Dion перешел на двигатели внутреннего сгорания. Когда братья Болле стали управлять компанией своего отца, они сделали то же самое. Затем и компания Chevrolet перестроила свое производство. Автомобили с паровыми двигателями все быстрее и быстрее исчезали с горизонта, хотя в США они использовались еще до 1930 года. На этом самом моменте и прекратилось производство и изобретение паровых машин

Для чего нужна паровая машина

ПАРОВАЯ МАШИНА — тепловой поршневой двигатель для преобразования энергии водяного пара в механическую работу. Пар, поступая в цилиндр паровой машины, перемещает поршень. Проект паровой машины непрерывного действия разработан И. И. Ползуновым (1763). Как… … Большой Энциклопедический словарь

ПАРОВАЯ МАШИНА — поршневой двигатель, преобразующий тепловую энергию пара в механ. работу. Являясь самым ранним представителем тепловых двигателей, П. м. со времен так наз. второй машины Уатта (1784 г.), непрерывно совершенствуясь, нашла самое широкое применение… … Технический железнодорожный словарь

паровая машина — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN steam engine … Справочник технического переводчика

Паровая машина — ПАРОВАЯ МАШИНА, тепловой поршневой двигатель для преобразования энергии сжатого горячего водяного пара в механическую работу. Пар, поступая в цилиндр паровой машины, перемещает поршень и охлаждается. Проект паровой машины непрерывного действия… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

паровая машина — тепловой поршневой двигатель для преобразования энергии водяного пара в механическую работу. Первая паровая машина двойного действия, у которой пар подавался поочерёдно то с одной, то с другой стороны поршня, была построена Дж. Уаттом в 1784 г.… … Энциклопедия техники

паровая машина — тепловой поршневой двигатель для преобразования энергии водяного пара в механическую работу. Пар, поступая в цилиндр паровой машины, перемещает поршень. Проект паровой машины непрерывного действия разработан И. И. Ползуновым (1763). Как… … Энциклопедический словарь

паровая машина — garo mašina statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. steam machine vok. Dampfmaschine, f rus. паровая машина, f pranc. machine à vapeur, f … Fizikos terminų žodynas

паровая машина — garo mašina statusas T sritis Energetika apibrėžtis Šiluminis stūmoklinis variklis, verčiantis vandens garo potencinę energiją mechaniniu darbu. atitikmenys: angl. steam machine vok. Dampfmaschine, f rus. паровая машина, f pranc. machine à vapeur … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

Паровая машина — поршневой первичный двигатель, предназначенный для преобразования потенциальной тепловой энергии (давления) водяного пара в механическую работу. Рабочий процесс П. м. обусловлен периодическими изменениями упругости пара в полостях её… … Большая советская энциклопедия

ПАРОВАЯ МАШИНА — первичный поршневой двигатель, в к ром потенц. энергия сжатого водяного пара превращается в механич. работу (см. рис.). Вплоть до кон. 19 в. П. м. была практически единств. распространённым двигателем в пром сти и на транспорте. Развитие П. м.… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Изобретение паровых машин стало переломным моментом в истории человечества. Где-то на рубеже XVII-XVIII веков началась замена малоэффективного ручного труда, водяных колес и ветряных мельниц на совершенно новые и уникальные механизмы – паровые двигатели. Именно благодаря им стали возможны техническая и промышленная революции, да и весь прогресс человечества.

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.

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. Томас Ньюкомен 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.

Джеймс Уатт 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.

«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.

Первый пароход в мире

Английский судостроитель Роберт Фултон 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.

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.

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. В 1702 году создал свой насос Севери. 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.

В 1768 году на основе этой модели на шахте горнозаводчика Ребука была построена большая машина Уатта, на изобретение которой он получил в 1769 году свой первый патент. Самым принципиальным и важным в его изобретении было разделение парового цилиндра и конденсатора, благодаря чему не затрачивалась энергия на постоянный разогрев цилиндра. Машина стала более экономичной. Ее КПД увеличился.

Несколько последующих лет Уатт упорно трудился над совершенствованием своего двигателя. При этом ему пришлось преодолеть множество затруднений как финансового, так и технического порядка. Он вошел в компанию с владельцем металлообрабатывающего завода Болтоном, который обеспечил его деньгами. Были и другие проблемы: двигатель требовал герметичности и точнейшей подгонки деталей друг к другу. Поршень и цилиндр должны были идеально подходить по своим размерам, чтобы не допускать утечки пара. Такая точность была в новинку для машиностроения тех времен, не было даже необходимых точных станков. Выточка цилиндров большого диаметра представлялась почти неразрешимой проблемой. В результате первые машины Уатта работали неудовлетворительно: из цилиндра вырывался пар, конденсаторы действовали плохо, пар свистел через отверстие, в котором двигался поршневой шток, просачивался между стенками поршня и цилиндра.

Пришлось создавать специальные станки для расточки цилиндров. (Вообще, создание паровой машины положило начало настоящей революции в станкостроении — чтобы освоить производство паровых двигателей, машиностроению пришлось подняться на качественно более высокий уровень.) Наконец все трудности были преодолены, и с 1776 года началось фабричное производство паровых машин. 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.

Для того, чтобы паровой двигатель мог приводить в действие другие машины, необходимо было, чтобы он создавал равномерное круговое движение. Принципиальное отличие такой машины состояло в том, что поршень должен был совершать два рабочих движения — и вперед и назад. Такой двигатель двойного действия был разработан Уаттом в 1782 году. Пар здесь выпускался то с одной, то с другой стороны поршня, причем пространство на стороне, противоположной впуску пара, соединялось каждый раз с конденсатором. Эта задача была разрешена с помощью остроумной системы отводных труб, закрывавшихся и открывавшихся с помощью золотника.

Золотник представлял собой задвижку, которая перемещалась перед двумя отверстиями для пропускания пара. При каждом ходе задвижки в одну или другую сторону открывалось одно отверстие и закрывалось другое, вследствие чего переменялся путь, по которому мог проходить пар. Движение золотника имело сложный характер при каждом крайнем положении, когда одно отверстие открыто, а другое закрыто, он должен был останавливаться на некоторое время, чтобы пропустить порцию пара, а среднее положение проходить как можно быстрее. Движением золотника управлял особый механизм, расположенный на валу. Главной частью в нем был эксцентрик.

Эксцентрик, изобретенный Уаттом, состоял из пластины особой формы, сидящей на оси, находящейся не в центре этой пластины, а на некотором расстоянии от него. При таком креплении на одной стороне оси находилась большая часть пластины, чем на другой. Сама пластина была охвачена кольцом, к которому крепилась тяга, движущая золотник. Во время вращения пластины ее округлость постоянно давила на новую точку внутри поверхности кольца и своей более широкой стороной приводила его в движение. Вместе с каждым поворотом вала происходил один ход золотника. Характер вращения кольца (и соответственно движение тяги) зависел от того, какой формы пластина вставлена в эксцентрик. Путем расчетов была подобрана такая форма, которая во время одного оборота обусловливала то ускорение, то замедление, то остановку золотника. Введением этого приспособления Уатт сделал работу своей машины полностью автоматической.

В первое время за работой двигателя наблюдал рабочий, в обязанность которого входило регулировать подачу пара. Если двигатель начинал давать слишком большие обороты, он специальной заслонкой несколько перекрывал парораспределительную трубу и тем уменьшал давление пара. Затем эта функция была возложена на особый центробежный регулятор, устроенный следующим образом. Движение рабочего вала передавалось шкиву регулятора. Когда последний начинал вращаться слишком быстро (а следовательно, чрезмерно возрастало число оборотов двигателя), шары регулятора поднимались вверх под действием центробежной силы и приводили в движение муфту клапана и рычаг, который ограничивал количество пара. При уменьшении числа оборотов шары опускались и клапан приоткрывался.

С учетом работы всех этих устройств легко представить общий принцип действия машины. Из парового котла пар по трубе проходил в пространство b, а оттуда вследствие движения золотника направлялся в цилиндр то над поршнем B, то под ним. Когда пар вступал в пространство над поршнем последний опускался, а попав под поршень, поднимал его. В паровой трубке находился клапан который пропускал, смотря по надобности, больше или меньше пара. Положение клапана регулировалось паровым центробежным регулятором f. На главном валу сидел эксцентрик e, стержень которого SS проходил по другую сторону машины под коробку золотника и с помощью рычага то поднимал, то опускал золотник. Движение поршня B передавалось штоку O, который совершенно плотно проходил в крышку цилиндра, а от него — к подвижному коромыслу. На противоположном конце коромысла находилась часть G, которая захватывала снизу кривошип главного вала K. Таким образом, при каждом восхождении и нисхождении поршня происходил один оборот этого вала и сидящего на нем маховика L. Сила передавалась от главного вала с помощью ремней или других средств туда, где ею должны были пользоваться. В нижней части машины находился конденсатор. Он состоял из резервуара, наполненного водой, которая постоянно возобновлялась с помощью насоса q, и бака D, где происходила конденсация. Холодная вода не только окружала бак, но и вбрызгивалась в него через множество мелких отверстий. Спущенная горячая вода постоянно выкачивалась с помощью водяного насоса C. Теплая вода поступала в ящик и с помощью насоса Mm вновь выкачивалась в паровой котел.

Создание механизма передающего движение от поршня к валу, потребовало, от Уатта огромных усилий. Многие разрешенные им задачи вообще находились на границе технических возможностей того времени. Одна из проблем заключалась в создании необходимой герметичности. В цилиндре с двойным действием, в отличие от цилиндра с одиночным действием, обе стороны должны были быть плотно закрыты. Но так как поршень должен был иметь связь с внешними частями, то в крышке оставляли круглое отверстие, в котором совершенно плотно ходил шток (стержень) поршня. Уатт придумал вкладывать в крышку крепко свинченный толстый слой намасленной пакли, по которой стержень скользил, не касаясь металла цилиндра. Причем стержень из-за своей гладкости терся очень мало. Другая проблема заключалась в самом механизме преобразования движения: ведь для передачи полезной работы, проделываемой поршнем при его движении вверх, необходимо было, чтобы шток поршня жестко соединялся с балансиром. На всех предыдущих паровых двигателях они соединялись цепью. Теперь приходилось думать над тем, как жестко связать между собой шток, двигавшийся прямолинейно, и конец балансира, перемещавшийся по дуге. Уатт добился этого, создав особое передающее устройство, которое так и называется параллелограммом Уатта.

Конец коромысла A был соединен здесь шарнирно тягой ADB с точкой B рычага BC, соединенного точкой C с какой-нибудь неподвижной частью двигателя. Таким образом, вся система имела две неподвижные точки вращения: центр балансира, вокруг которой совершал колебательные движения балансир, и точки C, вокруг которой вращался рычаг CB. Точка A на конце балансира и точка B на конце рычага CB совершали движение по дугам, описанным из центра балансира и из точки C. При этом точка D на тяге ADB, соединяющей точки A и B, совершала движения очень близкие к вертикальным и прямолинейным. Эта точка и была соединена со штоком поршня. Впоследствии Уатт усовершенствовал это передающее устройство, получив две точки, соединяющие прямолинейное движение. Одну из них он соединил со штоком поршня, а другую — со штоком вспомогательного насоса, обслуживающего двигатель. Создание этого передаточного устройства потребовало от Уатта столько усилий, что он считал его своим величайшим изобретением. Он писал: «Хотя я не особенно забочусь о своей славе, однако горжусь изобретением параллелограмма более, чем каким-либо из других моих изобретений».

Затем колебательные движения балансира преобразовывались с помощью кривошипа во вращательное (поскольку кривошипный механизм был запатентован Пикаром, в первых машинах Уатта колебательное движение балансира во вращательное преобразовывалось с помощью созданного Уаттом солнечно-планетарного механизма, как только патент Пикара истек, стали применять кривошипную передачу). Благодаря полученному в результате всех этих преобразований вращательному движению рабочего вала новый двигатель Уатта годился для привода других рабочих машин. Это позволило ему сыграть революционную роль в развитии крупной машинной индустрии. За 1785-1795 годы было выпущено 144 таких паровых двигателя, а к 1800 году в Англии функционировала уже 321 паровая машина Уатта. Их применяли буквально во всех сферах производства.

Великое творение Уатта было по достоинству оценено современниками и потомками. После смерти изобретателя в 1819 году английский парламент почтил его память сооружением мраморного памятника в Вестминстерском аббатстве.

Паровая машина мощностью

Вт

Паровая машина мощностью Вт была первым типом паровой машины, в которой для привода поршня использовался пар с давлением чуть выше атмосферного за счет частичного вакуума. Усовершенствование конструкции двигателя Ньюкомена 1712 года, паровой двигатель Уатта, спорадически разрабатывавшийся с 1763 по 1775 год, стал следующим крупным шагом в развитии паровой машины. Предлагая резкое повышение топливной эффективности, новая конструкция заменила двигатели Ньюкомена в областях, где уголь был дорогим, а затем стала использоваться вместо большинства естественных источников энергии, таких как ветер и вода.Дизайн Джеймса Уатта стал синонимом паровых двигателей, в немалой степени благодаря его деловому партнеру Мэтью Бултону.

Введение

В 1698 году английский конструктор-механик Томас Савери изобрел паровой насос, который забирал воду непосредственно из колодца с помощью вакуума, а затем отправлял ее на более высокий уровень с помощью давления пара. Устройство также предлагалось для осушения шахт, но ограниченная высота откачки делала это невыполнимым. Он также потреблял чрезмерное количество топлива.

Решение осушения глубоких шахт было найдено Томасом Ньюкоменом, который разработал «атмосферный» двигатель, работающий только на принципе вакуума. В нем использовался цилиндр, содержащий подвижный поршень, соединенный цепью с одним концом качающейся балки, которая приводила в действие механический подъемный насос с противоположного конца. Верхняя сторона силового цилиндра была открыта для атмосферы, пар вводился во время верхнего хода к нижней стороне поршня, затем впрыскивалась вода, конденсируя пар и создавая вакуум; таким образом, атмосферное давление, действующее на верхнюю часть поршня, опускало его.

Он был одновременно мощным и полезным, и впервые воду можно было поднимать с глубины более 150 футов. Первый экземпляр 1711 года смог заменить упряжку из 500 лошадей, которые использовались для откачки шахты. В последующие пятьдесят лет в базовый двигатель были внесены лишь несколько небольших изменений, семьдесят пять экземпляров которых находились на шахтах в Великобритании, Франции, Голландии, Швеции и России.

Система принесла большие практические преимущества, но все же ценой очень высокого расхода угля, поскольку струя воды в цилиндре охлаждала стенки при каждом такте; это означало, что при вводе следующей порции пара он будет продолжать конденсироваться, пока температура цилиндра снова не достигнет рабочей температуры.

Отдельный конденсатор

Шотландский производитель приборов Джеймс Ватт получил задание в 1763 году отремонтировать модель двигателя Ньюкомена для Университета Глазго и отметил, насколько он неэффективен. В 1765 году, бродя по Глазго-Грин, он придумал идею отдельной конденсационной камеры для паровой машины. Идея Ватта заключалась в том, чтобы отделить систему конденсации от цилиндра, впрыскивая струю охлаждающей воды во второй цилиндр, соединенный с основным.Когда поршень достигал верхней части цилиндра, впускной клапан закрывался, а клапан, управляющий проходом к конденсатору, открывался. Тогда внешнее атмосферное давление толкает поршень к конденсатору. Таким образом, конденсатор можно было поддерживать холодным и при давлении ниже атмосферного, в то время как цилиндр оставался горячим.

Ватт также осознал, что новый рабочий цикл может увеличить частоту вращения двигателя и производимую мощность; Пар низкого давления теперь можно было заменить атмосферным давлением.Если верхняя часть цилиндра была закрыта, пар мог воздействовать на поршень во время рабочего хода; низкого давления пара было бы недостаточно для его перемещения при нормальных обстоятельствах, но могло бы быть, если бы он действовал на вакуум.

Это привело к полностью разработанной версии 1775 года, которая фактически пошла в производство [ Hulse David K ​​(1999): «Раннее развитие паровой машины»; Издательство TEE, Лимингтон-Спа, Великобритания, ISBN, 85761 107 1 стр. 127 и след. ]. Распыления не было, конденсатор был погружен в резервуар с водой, и при каждом такте теплый конденсат откачался и направился в горячий колодец с помощью вакуумного насоса, который также помогал откачивать пар из-под силового цилиндра.Еще теплый конденсат использовался в качестве питательной воды для котла.

Партнерство Мэтью Бултона и Джеймса Ватта

Отдельный конденсатор показал значительный потенциал для усовершенствования двигателя Ньюкомена, но Ватт все еще разочаровывался из-за, казалось бы, непреодолимых проблем, прежде чем можно было довести двигатель до совершенства. Это стало реальностью только после заключения партнерства с Мэтью Бултоном. Ватт рассказал Бултону о своих идеях по улучшению двигателя, и Бултон, заядлый предприниматель, согласился профинансировать разработку испытательного двигателя в Сохо, недалеко от Бирмингема.Наконец Ватт получил доступ к оборудованию и практическому опыту мастеров, которые вскоре смогли запустить первый двигатель. В полностью разработанном виде он потреблял примерно на 75% меньше топлива, чем аналогичный двигатель Ньюкомена.

В 1775 году Ватт спроектировал два больших двигателя: один для угольной шахты Блумфилда в Типтоне, построенной в марте 1776 года, и один для металлургического завода Джона Уилкинсона в Уилли, Шропшир, который работал в следующем месяце. Третий паровоз в Стратфорд-ле-Боу в восточном Лондоне также работал тем летом.[ Р. Л. Хиллс, «Джеймс Ватт: II Годы тяжелого труда, 1775-1785» (Landmark, Ashbourne, 2005), 58-65. ]

Практика Боултона и Ватта заключалась в том, чтобы помогать владельцам шахт и другим клиентам строить двигатели, предоставляя людей для их сборки и некоторых специализированных деталей. Однако они в основном получали прибыль от своего патента, взимая лицензионный сбор с владельцев двигателей в зависимости от стоимости сэкономленного топлива. Более высокая топливная эффективность их двигателей означала, что они были наиболее привлекательными в регионах, где топливо было дорогим, особенно в Корнуолле, для которого в 1777 году было заказано три двигателя для шахт Уил Бюсси, Тинг Тан и Чейсуотер.[ Hills, 96-105. ]

Более поздние усовершенствования

Приведение в действие двигателей за счет разницы давлений между паром низкого давления и частичным вакуумом повысило возможность разработки поршневых двигателей [ Hulse David K ​​(2001): «Развитие вращательного движения с помощью сила пара»; TEE Publishing, Лимингтон-Спа, Великобритания, ISBN, 1 85761 119 5: стр. 58 и след. ]. Расположение клапанов могло пропускать пар к любому концу или соединять любой конец с конденсатором.Следовательно, направление рабочего хода может быть обратным. В результате двойное действие обеспечивало очень равномерное движение балки и сделало возможным разработку роторных двигателей. Кроме того, связь с балкой до этого была с помощью цепи, а это означало, что мощность могла быть приложена только в одном направлении, путем натяжения; необходимо было сделать так, чтобы поршень мог также толкать балку, при этом шток поршня оставался вертикальным; этого Ватт достиг за счет развития своего параллельного движения.

Чтобы избежать патентных прав, уже заявленных другой стороной, на использование кривошипа, он принял планетарную солнечно-планетную шестерню, предложенную сотрудником Уильямом Мердоком, но позже вернул ее, когда истек срок действия патентных прав, к более знакомой кривошип, который сегодня встречается на большинстве двигателей.

Поскольку заводское оборудование должно работать с постоянной скоростью, Ватт адаптировал центробежный регулятор (ранее использовавшийся для автоматического регулирования скорости ветряных мельниц), связанный с клапаном регулятора пара.

Эти усовершенствования позволили использовать паровой двигатель вместо водяных колес, тем самым освободив британскую промышленность от географических ограничений и став одним из основных двигателей промышленной революции.

Ватт также занимался фундаментальными исследованиями функционирования паровой машины. Его наиболее известным измерительным прибором, который до сих пор используется, является «индикатор Ватта», включающий манометр для измерения давления пара внутри цилиндра в соответствии с положением поршня; это позволило построить диаграмму, представляющую действие пара на протяжении всего цикла.

Двигатели Preserved Watt

Самым старым действующим двигателем в мире является двигатель Smethwick Engine, введенный в эксплуатацию в мае 1779 года и ныне находящийся в Thinktank в Бирмингеме (ранее в ныне несуществующем Музее науки и промышленности в Бирмингеме). Самым старым, все еще находящимся в первоначальном машинном отделении и способным выполнять ту работу, для которой он был установлен, является двигатель Болтона и Ватта 1812 года на насосной станции Крофтон. Это использовалось для перекачки воды для канала Кеннет и Эйвон; в определенные выходные в течение года современные насосы отключаются, и две паровые машины в Крофтоне по-прежнему выполняют эту функцию.Самый старый ротационный паровой двигатель (третий из когда-либо построенных ротационных двигателей) находится в Музее электростанции в Сиднее, Австралия. Другой двигатель Бултона-Ватта 1788 года можно найти в Музее науки в Лондоне. cite web
title = Вращающийся паровой двигатель Боултона и Ватта, 1788
url = http: //www.sciencemuseum.org.uk/objects/motive_power/1861-46.aspx
publisher = Science Museum ]

The Henry Ford В музее в Дирборне, штат Мичиган, находится роторный двигатель Ватта, изготовленный в 1788 году Чарльзом Саммерфилдом.Это полномасштабная рабочая копия двигателя Бултон-Ватта. Примерно в 1930 году американский промышленник Генри Форд перевез двигатель в Дирборн.

ee также

* Boulton and Watt
* цикл Карно
* тепловой двигатель
* термодинамика
* James Watt
* паровой двигатель Newcomen

Ссылки

Внешние ссылки

* [ http://www.egr.msu.edu/~lira/supp/steam/wattengine.htm Ваттный атмосферный двигатель ] — Мичиганский государственный университет, химическая инженерия
* [ http: // www.newcomen.com/excerpts/watt.htm «Совершенный двигатель» Ватта ] — выдержки из «Сделок Общества Ньюкомов».
* [ http://www.powerhousemuseum.com/collection/database/?irn=7177 Паровой двигатель Бултона и Ватта в Музее электростанции, Сидней, ]

Фонд Викимедиа. 2010.

Первые паровые двигатели | HowStuffWorks

В конце 17-го века Англия столкнулась с кризисом с лесным хозяйством, поскольку кораблестроение и дрова поглотили леса.Корабли были необходимы для торговли и обороны, но уголь был подходящей заменой дров. Однако добыча большего количества угля означала рытье более глубоких угольных шахт, что увеличивает вероятность просачивания воды в шахты. Внезапно возникла острая необходимость в новых способах откачки воды из шахт.

В 1698 году военный инженер Томас Савери получил патент на паровой насос и начал предлагать свой « Miner’s Friend » всем, кто его слушал. Устройство состояло из камеры кипения, которая направляла пар во вторую емкость, где труба с обратным клапаном спускалась в воду, которую необходимо было удалить.Контейнер с паром поливали холодной водой, и когда водяной пар внутри охлаждался до жидкого состояния, образовавшийся вакуум втягивал воду снизу. Всасываемая вода не могла течь обратно через обратный клапан, и ее сливали через другую трубу.

К несчастью для Savery, паровой насос не добился успеха в горнодобывающей промышленности, на который он надеялся. Большая часть его продаж приходилась на частные владения, которые хотели слить лишнюю воду и использовать ее для дома и сада.Поскольку нагревом и охлаждением паровой камеры приходилось управлять вручную, двигатель был непрактичным. Двигатель также мог забирать воду только с ограниченной глубины — глубокая шахта требовала ряда двигателей, установленных на разных уровнях.

Однако в 1712 году кузнец Томас Ньюкомен и его помощник Джон Калли, стеклодув и сантехник, создали более эффективную систему паровых насосов. Двигатель Newcomen Engine сочетал в себе разделение котла и парового цилиндра Savery с поршнем Папена с паровым приводом.

Этот контент несовместим с этим устройством.

В то время как Савери стремился заменить обычные насосы с приводом от лошади на свой двигатель, Ньюкомен стремился использовать насос с паровым приводом для выполнения работы лошадей. Двигатель Ньюкомена был похож на двигатель Савери. Он включал в себя камеру, заполненную паром, которая охлаждалась путем быстрого впрыска холодной воды для создания вызывающего вакуум изменения атмосферного давления. Однако на этот раз сила вакуума опускала поршень и тянула цепь, которая приводила в действие насос на другом конце подвешенной балки.Когда вода в поршневом цилиндре снова превратилась в пар, она подтолкнула поршень вверх, и вес на другой стороне балки перезагрузил насос.

Двигатель Ньюкомена оказался большим успехом и использовался на сотнях шахт по всей Великобритании и за рубежом. Хотя двигатель работал в медленном темпе, стоимость его эксплуатации была дешевле, чем содержание конюшни. Вскоре инженеры начали возиться с двигателем Ньюкомена, улучшая цилиндры, клапаны и топливную экономичность парового насоса.Создание более прочного железа сделало двигатель более долговечным. Медеплавильные заводы вскоре обнаружили, что им больше не нужно работать рядом с реками, поскольку двигатель Ньюкомена можно было использовать вместо водяных колес для привода сильфонов печи.

В следующем разделе мы рассмотрим достижения Джеймса Ватта, открытия которого, как многие считают, положили начало эпохе пара.

Определение парового двигателя | Типы и принцип парового двигателя

ЧТО ТАКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРОВОГО ДВИГАТЕЛЯ?

Паровая машина — это устройство, которое преобразует тепловую энергию в механическую, а тепло подается в двигатель через пар.Это механизм, в котором пар используется в качестве рабочего вещества. Паровой двигатель работает по принципу первого закона термодинамики, где работа и тепло взаимно преобразованы. Это очень основное определение парового двигателя.

В паровой машине есть цилиндр с поршнем. Затем пар из котла поступает в цилиндр двигателя, и цилиндр воздействует на поршень, который тем самым совершает возвратно-поступательное движение поршня. Таким образом, тепловая энергия пара преобразуется в механическую работу, поэтому он называется Поршневой паровой двигатель .

Первая паровая машина была изобретена в 1712 году Томасом Ньюкоменом и его помощником Джоном Калли.

КАК СДЕЛАТЬ ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ?

В паровой машине перегретый пар высокого давления из котла подается в паровой резервуар. Здесь D-образный клапан V, называемый D-золотниковым клапаном, перемещается взад и вперед в паровом резервуаре, и этот клапан регулирует подачу пара в цилиндр двигателя, управляемый механизмом E, называемым эксцентриком, который расположен на коленчатом валу.Есть два разных порта A и B, через которые пар поступает в цилиндр с двух сторон от поршня, а K — выпускной канал, через который пар выходит из цилиндра.

Когда золотниковый клапан D перемещается вправо, пар из парового резервуара входит с левой стороны через порт A. Этот пар высокого давления толкает поршень к правой стороне рукоятки. Это называется прямым ходом поршня. При движении поршня крейцкопф перемещается вправо, толкая шатун, который также толкает кривошип вправо.Теперь коленвал и коленчатый вал вращаются по часовой стрелке, как показано на рисунке.

Когда поршень находится в крайнем правом положении или ближе к торцевой крышке кривошипа, V-клапан перемещается в левом направлении и открывает отверстие для пара B, через которое пар входит в цилиндр. Таким образом, поршень теперь движется влево или в сторону от кривошипа. Это называется обратным ходом поршня. Поршень начинает двигаться влево, и пар из левой стороны выходит из цилиндра через выпускной канал K через порт A. .

Опять же, когда поршень находится в крайнем левом положении, клапан V начинает двигаться в правом направлении и открывает порт A. В результате пар входит в цилиндр через порт A, и поршень начинает двигаться в правом направлении. Теперь пар из правого цилиндра покидает цилиндр через выпускное отверстие K через порт B.

Таким образом, поршень совершает возвратно-поступательное движение в камере цилиндра и приводит в движение коленчатый вал через шток поршня, шатун и кривошип.Этот процесс идет непрерывно, и поэтому паровая машина работает. В конце каждого хода поршень меняет направление движения и на мгновение останавливается. Это называется мертвой точкой кривошипа. Вышеупомянутый паровой двигатель называется одноцилиндровый горизонтальный поршневой паровой двигатель двойного действия .

ВИДЫ ПАРОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Паровые двигатели

— это разные категории, здесь мы обсудим некоторые важные категории:

1. По положению цилиндра: —

а.Горизонтальный паровой двигатель: когда ось в паровом двигателе находится в горизонтальном положении, это называется горизонтальным паровым двигателем.

г. Вертикальный паровой двигатель: когда ось в паровом двигателе находится в вертикальном положении, это называется вертикальным паровым двигателем.

2. По количеству рабочего хода: —

а. Паровой двигатель одностороннего действия: когда пар поступает с одной стороны поршня и производит один рабочий ход при каждом открытии коленчатого вала, это называется паровым двигателем одностороннего действия.

г. Паровой двигатель двойного действия: когда пар поступает с обеих сторон поршня и производит двойной рабочий ход в каждом выступе, это называется паровым двигателем двойного действия. Он производит двойную мощность, чем паровой двигатель одностороннего действия.

3. По количеству цилиндров, в которых расширяется пар: —

а. Простой паровой двигатель: когда расширение пара осуществляется в одном цилиндре, называется простой паровой двигатель.

г. Составной паровой двигатель: когда расширение пара осуществляется в двух или более цилиндрах, называется составной паровой двигатель.

4. По типу выхлопа: —

а. Конденсационный паровой двигатель: когда пар выпускается в конденсаторе, называемом конденсационным паровым двигателем.

г. Паровой двигатель без конденсации: когда пар выпускается в атмосферу, называется паровой двигатель без конденсации.

5. По методике управления: —

а. Дроссельный паровой двигатель: когда скорость парового двигателя регулируется дроссельной заслонкой в ​​паровой трубе, которая регулирует давление пара в двигателе.

г. Автоматическое отключение парового двигателя: когда скорость парового двигателя регулируется автоматическим регулятором отключения, который регулирует давление пара в двигателе.

6. По частоте вращения коленчатого вала: —

а. Медленный паровой двигатель: когда частота вращения коленчатого вала ниже 100 оборотов на мунит, это называется медленным паровым двигателем.

г. Среднеоборотный паровой двигатель: когда частота вращения коленчатого вала находится в пределах 100-250 оборотов на мунит, это называется среднеоборотным паровым двигателем.

г. Высокоскоростной паровой двигатель: когда частота вращения коленчатого вала превышает 250 оборотов в минуту, называется высокоскоростным паровым двигателем.

7. По области применения: —

а. Стационарный двигатель

г. Локомотивный двигатель

г. Судовой двигатель

8. В зависимости от используемого клапана: —

а. Двигатель с золотниковым клапаном

г. Двигатель клапана Corlis

9. Расширяющий двигатель: —

10. Двигатель без расширения: —

Что такое паровой двигатель и как он работает?

Двигатель внешнего сгорания, вырабатывающий механическую энергию за счет использования водяного пара, называется паровым двигателем.В частности, тепловая энергия преобразуется в механическую энергию, генерирующую пар.

Тепло вырабатывается за счет сжигания ископаемого топлива. Обычно используется большое количество угля, но он также может быть получен из древесины, ядерных реакций или даже солнечной энергии.

Это одно из важнейших изобретений промышленной революции 19 века.

Как работает паровой двигатель?

Основная работа паровой машины основана на следующих этапах:

1. Создание источника тепла для кипячения воды.

2. Вода превращается в пар.

3. Воспользуйтесь давлением пара, чтобы активировать механический механизм.

Парогенератор или бойлер

Неотъемлемой частью системы является парогенератор или бойлер. В бойлере он нагревается до воды и превращается в пар за счет подачи тепла. Затем пар направляется в двигатель, который может быть двух основных типов:

• Поршневой двигатель, толкающий поршень.

• Роторный двигатель, приводящий в действие паровую турбину.

Альтернативный двигатель парового двигателя

В поршневом двигателе пар перемещает исполнительные клапаны, которые позволяют толкать поршень с обеих сторон. При каждом обороте двигателя он имеет две активные фазы. В тепловых двигателях внутреннего сгорания обычно происходит одно расширение через каждые 4 фазы (4-тактный двигатель).

Начиная со второй половины 1800 года, почти все паровые двигатели использовали последовательно два, три и даже четыре цилиндра для двигателей двойного и тройного расширения.

Паровые турбины

Турбина полностью заменена в судовых поршневых двигателях. Позже были заменены двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины. Паровые турбины по-прежнему используются, особенно на электростанциях, в качестве движущей силы для привода трехфазных генераторов переменного тока.

В традиционных применениях сегодня паровой двигатель почти полностью заменен двигателем внутреннего сгорания. По сравнению с паровым двигателем, тепловая машина более компактна и мощна и не требует этапа предварительного нагрева для нагнетания давления в котле.

Кто изобрел паровой двигатель?

Изобретателем первого парового двигателя был Томас Савери в 1698 году. Этот первый двигатель был водяным насосом.

Изобретателем паровой машины, какой мы ее знаем сегодня, был Джеймс Ватт (1769 г.).

Этот первый коммерческий паровой двигатель был водяным насосом. Савери использовал конденсационный пар для создания вакуума, который позволял воде подниматься снизу. Затем было приложено давление, чтобы поднять его дальше.

Двигатель Savery использовался в шахтах, на насосных станциях и для подачи воды на гидравлические колеса, приводящие в движение текстильное оборудование.Паровая машина Савери стоила недорого.

Позже появился первый поршневой паровой двигатель: первым коммерчески успешным двигателем, который мог передавать непрерывную мощность на машину, был атмосферный двигатель, изобретенный Томасом Ньюкоменом около 1712 года. Ньюкомен усовершенствовал паровой насос Savery, используя поршень, как предложил Папен.

Машина Newcomen стала первым коммерчески успешным двигателем, работающим по принципу поршня и цилиндра. Это был основной тип паровой машины, использовавшейся до начала 20 века.

Надежные и эффективные паровые машины существовали только в конце 18 века, когда были предприняты первые серьезные попытки создания военно-морского движения с помощью пара.

Паровая машина Джеймса Ватта

Паровая машина Джеймса Ватта является результатом усовершенствований Ватта по отношению к машине Ньюкомена (1769).

Эти улучшения, отчасти благодаря термодинамическим исследованиям Джозефа Блэка, привели к производству сегодняшней паровой машины.

Ват был шотландским инженером-механиком, изобретателем и химиком, получившим образование в Университете Глазго.Вместе с английским производителем Мэтью Бултоном они основали компанию Boulton and Watt. Эта компания была одной из первых в сфере проектирования и производства паровых двигателей.

В честь Джеймса единица электрической мощности в международной системе измерения называется ваттом.

Характеристики парового двигателя Ватта

• Он имел отдельную камеру для конденсации пара.

• Стоимость была ниже, чем у машины Ньюкомена.

• Это позволило избежать потерь пара, производимого в каждом цикле. Для этого Ватт изолировал цилиндр так, чтобы он оставался при температуре пара.

• Отдельная камера конденсации охлаждалась воздухом.

• В камеру конденсации включен насос для создания вакуума для поглощения пара из цилиндра в конденсатор.

• Он работал с давлением пара вместо атмосферного, чтобы получить движение.

• Позволяет преобразовать поступательное движение поршней в круговое.

• У него были дроссельные заслонки для ограничения скорости. В нем также были регуляторы, которые автоматически поддерживали стабильную рабочую скорость.

Следующим крупным достижением стало появление практичных двигателей без конденсации. Однако Ватту не удалось усовершенствовать эти типы машин.

Что такое папин-машина?

Машина Папена — улучшенная версия первых паровых машин.

Машина французского изобретателя Дени Папена состояла из бойлера с герметичной водой.Во-первых, его подвергали воздействию источника тепла до получения пара. Давление пара толкнуло поршень.

Впоследствии котел подвергся воздействию источника холода. Таким образом, пар конденсировался, и поршень опускался.

Папен изобрел и впервые применил предохранительный клапан в конструкции парового котла.

Паровая машина высокого давления, образец курсовых работ

6 страниц, 2638 слов

Паровая машина — это машина, используемая для преобразования тепловой энергии в механическую энергию с использованием пара в качестве среды преобразования.Когда вода превращается в пар, ее объем увеличивается примерно в 1,600 раз, создавая силу, которую можно использовать для перемещения поршня вперед и назад в цилиндре. Поршень прикреплен к коленчатому валу, который преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение для привода механизмов. От греческого изобретателя-героя Александрии до англичанина Томаса Ньюкомена многие люди внесли свой вклад в работу по освоению пара. Однако паровая машина Джеймса Ватта, запатентованная 1769, предложила первое практическое решение, предоставив отдельную камеру для конденсации пара и используя давление пара для перемещения поршня в обоих направлениях.Эти и другие усовершенствования Ватта подготовили паровой двигатель к важной роли в производстве и транспортировке во время промышленной революции.

Сегодня паровые двигатели в значительной степени заменены более эффективными устройствами, например паровой турбиной, электродвигателем международного сгорания. С начала 1900-х годов паровые турбины заменили большинство паровых двигателей на крупных электростанциях (см.).

Турбины эффективнее и мощнее паровых двигателей.В большинстве регионов на смену паровозам пришли более надежные и экономичные дизель-электрические локомотивы. Ранние паровые автомобили были вытеснены автомобилями с легкими, удобными и более мощными бензиновыми и дизельными двигателями. Из-за всего этого паровые машины сегодня обычно считаются музейными экспонатами.

2 страницы, 689 слов

Очерк паровоза 2

… колесо. Паровые турбины вращаются очень быстро и не имеют вибраций, в отличие от возвратно-поступательного движения поршней.Паровые машины прекрасно работают на пароходах, а электрические … КПД паровой машины был очень низким; поэтому позже они были заменены паровыми турбинами. Первый поршневой двигатель был изобретен в 1690 …

гг.

Тем не менее, изобретение парового двигателя сыграло важную роль в промышленной революции, создав общество, менее зависимое от энергии животных, водяных колес и ветряных мельниц. В 1690 году французский физик Дени Пап разработал первый паровой поршневой двигатель для перекачивания воды. .В этом примитивном устройстве небольшое количество воды помещалось в единственный цилиндр над огнем. Когда вода испарялась, давление пара заставляло поршень подниматься вверх. Затем источник тепла был удален, позволяя пару остыть и конденсироваться.

Это создало частичный вакуум (давление ниже атмосферного).

Поскольку воздух, расположенный над поршнем, находился под более высоким давлением (при атмосферном давлении), он заставлял поршень опускаться, выполняя работу. Более практичными устройствами, приводимыми в действие паром, были паровой насос, запатентованный в 1698 году английским инженером Томасом Сэвери, и так называемая атмосферная паровая машина, впервые построенная в 1712 году Томасом Ньюкоменом и Джоном Калледом.В двигателе Ньюкомена пар, генерируемый в котле, подавался в цилиндр, расположенный непосредственно над котлом.

Поршень тянулся к верхней части цилиндра противовесом. После заполнения цилиндра паром в него вводили воду, в результате чего пар конденсировался. Это уменьшило давление внутри цилиндра и позволило наружному воздуху толкнуть поршень обратно вниз. Тяга рычага цепной балки была соединена со штоком насоса, который поднимал плунжер насоса, когда поршень двигался вниз.Некоторые модифицированные двигатели Newcomen находились в эксплуатации до 1800 года. Шотландский производитель приборов Джеймс Ватт заметил, что использование одной и той же камеры для чередования горячего пара и холодного конденсата привело к плохому использованию топлива.

В 1765 году он разработал отдельную камеру конденсатора с водяным охлаждением. Он был оборудован насосом для поддержания частичного вакуума, и периодически из цилиндра через клапан подавался пар. Ватт и его деловой партнер Мэтью Бултон продали эти двигатели на том основании, что им выплачивается треть экономии топлива.Затраты на топливо для двигателей Watt и Boulton были на 75 процентов меньше, чем для аналогичного двигателя Newcomen. Среди множества других усовершенствований Ватта был коленчатый вал, который использовался для создания вращающей силы; использование поршней двойного действия, с помощью которых пар поочередно подавался в верхнюю и нижнюю части узла поршень-цилиндр, чтобы почти удвоить выходную мощность данного двигателя; регулятор, регулирующий подачу пара в двигатель; и маховик, который сглаживал рывки цилиндров.Ватт также признал, что использование пара высокого давления в двигателе было бы более экономичным, чем использование пара при внешнем атмосферном давлении.

3 страницы, 1188 слов

The Essay on Steam Engine 2 Engines Newcomen First

… более новые типы котлов намного безопаснее, потому что не весь котел находится под давлением, а только водопроводные трубы. Паровая машина была одной из … скорости, с которой двигатель качает воду. Без изучения Ватта в области механики паровой машины не могло бы быть… паровые машины, которые создали Джеймс Уатт и Томас Ньюкомен, работали с использованием пара для создания вакуума, который перемещал поршень 7. Поршень …

Однако из-за ограничений конструкции котла его двигатели никогда не работали при высоком давлении. Двигатели были усовершенствованы после разработки котлов, которые могли работать при более высоком давлении. К концу 18 века в употреблении использовались два типа котлов высокого давления: водотрубные и жаротрубные. Их корпуса были сделаны из железных пластин, скрепленных заклепками.

В водотрубных котлах вода нагревалась в змеевиках или вертикальных трубах, которые проходили через топку и получали тепло от горячих дымовых газов. Пар собирался в верхней части котлов. Эти котлы были предшественниками современных котлов электростанций. В жаротрубных котлах вода поддерживалась в нижней части большой оболочки. Снаряд проходил по большим трубам, по которым продукты сгорания проходили от колосниковых решеток к дымовой трубе.

Опять пар собирается наверху.С улучшенной конструкцией котла британский инженер Ричард Тревитик построил вагон с паровым приводом без конденсации в 1801 году и первый паровоз в 1803 году, хотя его котел позже взорвался. В 1829 году Джордж Стефенсон построил свой успешный ракетный локомотив. Это способствовало быстрому развитию железных дорог в Великобритании, а затем и в других странах. Паровую двигательную установку судов успешно опробовал в 1787 году американец Джон Фитч, разместивший пароход на реке Делавэр. В 1807 году американец Роберт Фултон построил гребной пароход с боковыми колесами под названием Clermont.

Оборудованный двигателем Watt and Boulton, Fulton’s Clermont, который был более успешным с экономической точки зрения, чем усилия Fitch, путешествовал из Нью-Йорка в Олбани, открывая эру пароходов. Примерно в то же время американским изобретателем Оливером Эвансом были разработаны двигатели без конденсации. Во многом благодаря инициативе Эванса пар высокого давления стал применяться в Соединенных Штатах гораздо легче, чем в Европе, хотя иногда и с катастрофическими результатами. На речном судоходстве в Соединенных Штатах на протяжении большей части начала 1900-х годов наблюдалось большое количество взрывов котлов.

4 страницы, 1950 слов

Курсовая работа по паровозу

Паровая машина «Прекрасный прогресс нынешнего столетия в значительной степени обусловлен изобретением и усовершенствованием паровой машины, а также изобретательным применением ее мощности в работах, которые раньше требовали физических усилий. человечество ». ~ Роберт Х. Терстон. Паровую машину можно легко считать самым важным изобретением всей промышленности …

Британский изобретатель Артур Вульф признал, что больше мощности может быть получено от стационарного двигателя путем компаундирования, то есть путем расширения пара только частично в первом цилиндре, а затем дальнейшего до давления ниже атмосферного во втором цилиндре перед его передачей в конденсатор.По мере того как давление пара продолжало расти, такие составные двигатели в конечном итоге изменились с двойного на тройное и учетверенное. Самым известным двигателем 19 века был двухцилиндровый двигатель Corliss, представленный Джорджем Корлиссом на выставке столетнего юбилея 1876 года в Филадельфии. Его цилиндры имели диаметр 40 дюймов (102 сантиметра). Его ход, максимальное расстояние перемещения поршня, составлял 10 футов (3 метра), а диаметр маховика — 30 футов (9 метров). Развивая 36 оборотов в минуту, двигатель Corliss выдавал 1400 лошадиных сил (1044 киловатт) для привода 8000 машин в машинном зале.

За десять лет был построен судовой двигатель мощностью более 10 000 лошадиных сил (7 460 киловатт). Развитие паровой машины активно продолжалось еще 50 лет. В 1897 году Фрэнсисом Э. и Фри Ланом О. были построены первые автомобили, которые успешно приводились в действие паровыми двигателями без конденсации.

Стэнли в Ньютоне, Массачусетс (см.).

Эти паровые автомобили были мощнее первых автомобилей с бензиновым двигателем. В конечном итоге они использовали давление в котле до 1 000 фунтов на квадратный дюйм (6 895 килопаскалей).

Хотя конденсаторы были добавлены к 1915 году, автомобили с паровым приводом вскоре должны были выйти из строя, в основном из-за огромного веса двигателя, низкой эффективности и постоянной необходимости внимания. До появления небольших электродвигателей паровые машины приводили в действие большинство производственных предприятий. Единственный двигатель, расположенный в центре, подавал мощность на машины с помощью валов, шкивов и ремней. Фермы в США использовали тракторы с паровым двигателем. Самоходные молотилки с паровым приводом перемещались с фермы на ферму во время уборки урожая, пока их не заменили агрегаты с бензиновым или дизельным приводом.В конечном итоге паровые двигатели стали слишком большими, тяжелыми и медленными, чтобы удовлетворить постоянно растущую потребность в большей мощности от одного устройства.

2 страницы, 714 слов

Очерк усовершенствованного парового двигателя

В этом эссе показано одно из многих великих изобретений промышленной революции. Это эссе об улучшенной версии парового двигателя Newcommen, которую усовершенствовал великий изобретатель Джеймс Ватт. Изобретение Джеймса Ватта сыграло большую роль в промышленной революции, и период после Джеймса Ватта родился 19 января 1736 года.Он был шотландским изобретателем и инженером-механиком. Когда он …

После успешной разработки более мощной и компактной паровой турбины британским инженером Чарльзом А. Парсонсом в 1884 году и ее применения в морских силовых установках в 1897 году судьба больших паровых двигателей была решена, хотя такие двигатели продолжали производиться в Соединенные Штаты во время Второй мировой войны. Растущий спрос на электроэнергию также потребовал установки более крупных паровых агрегатов на электростанциях. Здесь также паровые турбины заменили паровые двигатели в начале 20 века.Сегодня одна паротурбинная установка может производить более 1 миллиона киловатт электроэнергии. На примере можно показать, как пар производит работу.

Если 1 фунт пара испаряется в котле при температуре 450. F (232. C), чтобы полностью стать паром (насыщенным), то его давление будет 422. 6 фунтов на квадратный дюйм (2 914 килопаскалей) в абсолютном выражении и его объем будет 1.

099 кубических футов (0,031 кубический метр).

Если пар идеально расширяется, то есть без трения, охлаждения или других потерь, до атмосферного давления, это приведет к образованию смеси воды и пара, называемой влажным паром, с температурой 212.F (100. C) и позволяют извлечь 187 170 фут-фунтов (254 килоджоулей) работы. Однако его объем увеличится почти в двадцать раз.

С другой стороны, если тот же фунт пара может быть увеличен при давлении ниже атмосферного до 2,0 фунтов на квадратный дюйм (13,8 килопаскалей) абсолюта, то можно извлечь 269,760 фут-фунтов (366 килоджоулей) энергии. . Конечная температура 126.

F (52. C) и окончательный объем 129,8 кубических футов (3,65 кубических метров).

Хотя в последней ситуации получается больше работы, получение этой дополнительной работы с каждого фунта пара требует использования как конденсатора, работающего при давлении ниже атмосферного, так и источника охлаждения, который заставляет пар конденсироваться обратно в жидкую форму.(Эта вода будет закачана обратно в бойлер.

) Этот пример иллюстрирует идеальный случай. При фактическом расширении пара, которое включает в себя охлаждение и другие потери, может быть извлечено сравнительно меньше работы, что приводит к несколько иному состоянию выхлопа. Паровые машины с конденсаторами более эффективны, чем паровые машины без них. Например, в локомотивах пар, выброшенный наружу, тратится впустую. Более высокий КПД также возможен, если пар расширяется до более низкой температуры и давления в двигателе.Наиболее эффективная работа, то есть наибольшая производительность по отношению к поданному теплу, обеспечивается за счет использования низкой температуры конденсатора и высокого давления в котле.

2 страницы, 509 слов

The Essay on Steam Engines Engine Railroads Watt

Паровая машина Паровая машина стала важной вехой в промышленном развитии Европы. Первый современный паровой двигатель был построен инженером Томасом Ньюкоменом в 1705 году для улучшения насосного оборудования, используемого для устранения просачивания в оловянных и медных рудниках.Идея Ньюкомена заключалась в том, чтобы поместить вертикальный поршень и цилиндр на конце рукоятки насоса. Он впустил пар в цилиндр и затем сконденсировал его …

Пар можно дополнительно нагреть, пропустив его через перегреватель на пути от котла к двигателю. Обычный пароперегреватель представляет собой группу параллельных труб, поверхности которых подвергаются воздействию горячих газов в топке котла. Используя перегреватель, пар может быть нагрет до температуры, превышающей температуру, при которой он производится, простым кипячением воды под давлением.В типичном паровом двигателе пар течет в цилиндре двустороннего действия. Расход можно регулировать с помощью одностороннего клапана D.

Когда поршень находится в левой части цилиндра, пар высокого давления поступает из парового резервуара. В то же время расширенный пар с правой стороны цилиндра выходит через выхлопное отверстие. Когда поршень перемещается вправо, клапан скользит как по выпускным, так и по портам, соединяющим паровой резервуар и цилиндр, предотвращая попадание большего количества пара в цилиндр.Затем пар высокого давления внутри цилиндра расширяется. Расширение пара толкает шток поршня, который обычно соединен с кривошипом, чтобы произвести вращательное движение. Когда клапан находится в крайнем левом положении, пар из левой части цилиндра выходит в виде выхлопных газов.

В то же время правая часть цилиндра заполняется свежим паром высокого давления из парового резервуара. Этот пар перемещает поршень влево. Положение скользящего D-клапана можно изменять в зависимости от положения эксцентрикового кривошипа на маховике.Клапанная передача играет важную роль в паровозе, поскольку от двигателя требуется широкий диапазон усилий. Если нагрузка на двигатель увеличивается, двигатель будет замедляться. Регулятор двигателя перемещает положение эксцентрика, чтобы увеличить продолжительность впуска пара в цилиндр.

3 страницы, 1354 слова

Эссе об отсеве из средней школы

Аналитики сходятся во мнении, что уровень отсева из средней школы в Соединенных Штатах достиг катастрофического уровня.По достоверным оценкам, более трети всех учеников, поступающих в среднюю школу, вероятно, бросят школу до ее завершения. Взгляд на последние десятилетия показывает, что это растущая тенденция, и ее еще предстоит должным образом остановить. Это проблема, которая не была отражена в …

Чем больше пара попадает, тем выше мощность двигателя. Однако эффективность двигателя снижается, поскольку пар больше не может полностью расширяться. Хотя D-образный золотниковый клапан представляет собой простой механизм, давление, оказываемое паром высокого давления на заднюю часть золотникового клапана, вызывает значительные потери на трение и износ.Этого можно избежать, используя отдельные цилиндрические подпружиненные золотниковые клапаны, заключенные в их собственную камеру, как впервые предложил Джордж Корлисс в 1849 году.

Устройства более сложные, чем простой эксцентрик, необходимы, если паровой двигатель должен работать с разными скоростями и нагрузками, а также вперед и назад, как это делает паровоз. Это приводит к сложному расположению рычагов скользящего клапана, известному как клапанный механизм. В простом паровом двигателе расширение пара происходит только в одном цилиндре.В составном двигателе имеется два или более цилиндра увеличивающегося размера для большего расширения пара и повышения эффективности.

Пар последовательно проходит через эти цилиндры. Первый и самый маленький поршень приводится в действие паром высокого давления. Последующие поршни приводятся в действие паром более низкого давления, выпущенным из предыдущего цилиндра. В каждом цилиндре происходит частичное расширение и падение давления.

Поскольку объем пара увеличивается при уменьшении давления, диаметр цилиндров низкого давления должен быть намного больше, чтобы ход двигателя был одинаковым для всех цилиндров.В обычных составных двигателях различные цилиндры установлены бок о бок и приводят в движение один и тот же коленчатый вал. В основных принципах работы паровых турбин используются две концепции, которые можно использовать по отдельности или вместе. В импульсной турбине пар расширяется через сопла, так что он достигает высокой скорости.

Затем высокоскоростная струя пара низкого давления направляется на лопасти прялки, где кинетическая энергия пара отбирается при выполнении работы.Из турбины выходит только низкоскоростной пар низкого давления. В реакционной турбине пар расширяется через ряд ступеней, каждая из которых имеет кольцо изогнутых неподвижных лопаток и кольцо изогнутых вращающихся лопаток. Во вращающейся секции пар частично расширяется, обеспечивая при этом реактивную силу в тангенциальном направлении для вращения турбинного колеса.

Стационарные секции могут допускать некоторое расширение (и увеличение кинетической энергии), но используются в основном для перенаправления пара для входа в следующий набор вращающихся лопастей.В большинстве современных больших паровых турбин пар высокого давления сначала расширяется за счет серии импульсных ступеней — наборов сопел, которые сразу же понижают высокое начальное давление, так что корпус турбины не должен выдерживать высокое давление, создаваемое в котле. Затем следует множество последующих стадий импульса или реакции (20 или более), на каждой из которых пар продолжает расширяться. Первая реактивная турбина была построена Героем Александрии в I веке нашей эры. В его эолипиле пар подавался в сферу, которая вращалась, когда пар расширялся через два тангенциально установленных сопла.Эолипил не произвел никакой полезной работы.

Только в 19 веке не предпринимались попытки использовать паровые турбины в практических целях. В 1837 году была построена вращающаяся паровая камера с вытяжными соплами для привода хлопкоочистительных машин и дисковых пил. Одноступенчатая импульсная турбина была разработана шведским инженером Карлом Густавом де Лавалем в 1882 году. Более поздняя американская конструкция имела несколько импульсных колес, установленных на одном валу, с соплами, расположенными между каждым колесом. Последующие достижения в конструкции паровых турбин и котлов позволили использовать более высокие давления и температуры.Эти достижения привели к созданию огромных и эффективных современных машин, которые способны преобразовывать более 40 процентов энергии, имеющейся в топливе, в полезную работу.

.