Паровые двигатели доклад – Доклады на тему » Паровые двигатели — от первой паровой машины до наших дней

Содержание

Доклады на тему » Паровые двигатели — от первой паровой машины до наших дней

Интерес к водяному пару, как доступному источнику энергии, появился вместе с первыми научными познаниями древних. Приручить эту энергию люди пытались на протяжении трёх тысячелетий. Каковы основные этапы этого пути? Чьи размышления и проекты научили человечество извлекать из него максимальную пользу?

Предпосылки появления паровых двигателей

Потребность в механизмах, способных облегчить трудоёмкие процессы, существовала всегда. Примерно до середины XVIII века для этой цели использовались ветряные мельницы и водяные колеса. Возможность использования энергии ветра напрямую зависит от капризов погоды. А для использования водяных колёс фабрики приходилось строить по берегам рек, что не всегда удобно и целесообразно. Да и эффективность тех и других была чрезвычайно мала. Нужен был принципиально новый двигатель, легко управляемый и лишённый этих недостатков.

История изобретения и совершенствования паровых двигателей

Создание парового двигателя — результат долгих размышлений, удач и крушений надежд множества учёных.

Начало пути

Первые, единичные проекты были лишь интересными диковинками. Например, Архимед сконструировал паровую пушку, Герон Александрийский использовал энергию пара для открывания дверей античных храмов. А заметки о практическом применении энергии пара для приведения в действие иных механизмов исследователи находят в трудах Леонардо да Винчи.

Рассмотрим наиболее значительные проекты по этой тематике.

В XVI веке арабский инженер Таги аль Дин разработал проект примитивной паровой турбины. Однако практического применения она не получила из-за сильного рассеяния струи пара, подаваемой на лопасти колеса турбины.

Перенесемся в средневековую Францию. Физик и талантливый изобретатель Дени Папен после многих неудачных проектов останавливается на следующей конструкции: вертикальный цилиндр заполняли водой, над которой устанавливали поршень.

Цилиндр нагревали, вода закипала и испарялась. Расширяющийся пар приподнимал поршень. Его закрепляли в верхней точке подъёма и ожидали остывания цилиндра и конденсации пара. После конденсации пара в цилиндре образовывался вакуум. Освобожденный от крепления поршень под действием атмосферного давления устремлялся в вакуум. Именно это падение поршня предполагалось использовать как рабочий ход.

Итак, полезный ход поршня был вызван образованием вакуума из-за конденсации пара и внешним (атмосферным) давлением.

Потому паровой двигатель Папена как и большинство последующих проектов получили название пароатмосферных машин.

Эта конструкция обладала весьма существенным недостатком — не была предусмотрена повторяемость цикла. Дени приходит к идее получать пар не в цилиндре, а отдельно в паровом котле.

В историю создания паровых двигателей Дени Папен вошел как изобретатель весьма важной детали — парового котла.

А поскольку пар стали получать вне цилиндра, сам двигатель перешел в разряд двигателей внешнего сгорания. Но из-за отсутствия распределительного механизма, обеспечивающего бесперебойную работу, эти проекты почти не нашли практического применения.

Новый этап в разработке паровых двигателей

Около 50 лет для откачки воды в угольных шахтах использовался паровой насос Томаса Ньюкомена. Он во многом повторял предыдущие конструкции, но содержал весьма важные новинки — трубу для вывода сконденсированного пара и предохранительный клапан для выпуска излишнего пара.

Его существенным минусом было то, что цилиндр приходилось то нагревать перед впрыскиванием пара, то охлаждать перед его конденсацией. Но потребность в таких двигателях была столь высока, что, несмотря на их очевидную неэкономичность, последние экземпляры этих машин прослужили вплоть до 1930 года.

В 1765 году английский механик Джеймс Уатт, занявшись усовершенствованием машины Ньюкомена, отделил конденсатор от парового цилиндра.

Появилась возможность цилиндр держать постоянно нагретым. КПД машины сразу вырос. В последующие годы Уатт значительно усовершенствует свою модель, оснастив её устройством для подачи пара то с одной, то с другой стороны.

Стало возможным использовать эту машину не только как насос, но и для приведения в действие различных станков. Уатт получил патент на свое изобретение — паровой двигатель непрерывного действия. Начинается массовый выпуск этих машин.

К началу XIX века в Англии работало более 320 паровых машин Уатта. Их стали закупать и другие европейские страны. Это способствовало значительному росту промышленного производства во многих отраслях как самой Англии, так соседних государств.

Двадцатью годами ранее Уатта, в России над проектом паровой машины работал алтайский механик Иван Иванович Ползунов.

Заводское начальство предложило ему построить агрегат, который приводил бы в действие воздуходувку плавильной печи.

Построенная им машина была двухцилиндровой и обеспечивала непрерывное действие подсоединённого к ней устройства.

Успешно проработав более полутора месяцев, котёл дал течь. Самого Ползунова к этому времени уже не было в живых. Ремонтировать машину не стали. И замечательное творение русского изобретателя-одиночки было забыто.

В силу отсталости России того времени мир узнал об изобретении И. И. Ползунова с большим опозданием….

Итак, для приведения в действие паровой машины необходимо, чтобы пар, вырабатываемый паровым котлом, расширяясь, давил на поршень или на лопасти турбины. А затем их движение передавалось другим механическим частям.

Применение паровых машин на транспорте

Несмотря на то, что КПД паровых двигателей того времени не превышал 5%, к концу XVIII века их стали активно использовать в сельском хозяйстве и на транспорте:

  • во Франции появляется автомобиль с паровым двигателем;
  • в США начинает курсировать пароход между городами Филадельфия и Берлингтон;
  • в Англии продемонстрирован железнодорожный локомотив на паровой тяге;
  • российский крестьянин из Саратовской губернии запатентовал построенный им гусеничный трактор мощностью 20 л. с.;
  • неоднократно предпринимались попытки построить самолёт с паровым двигателем, но, к сожалению, малая мощность этих агрегатов при большом весе самолёта делала эти попытки неудачными.

Уже к концу XIX столетия паровые двигатели, сыграв свою роль в техническом прогрессе общества, уступают место двигателям внутреннего сгорания и электродвигателям.

Паровые устройства в XXI веке

С появлением новых источников энергии в XX и XXI веке снова появляется потребность в использовании энергии пара. Паровые турбины становятся неотъемлемой частью АЭС. Пар, приводящий их в действие, получают за счёт ядерного топлива.

Широко используются эти турбины и на конденсационных тепловых электростанциях.

В ряде стран проводятся эксперименты по получению пара за счёт солнечной энергии.

Не забыты и поршневые паровые двигатели. В горных местностях в качестве локомотива до сих пор используют паровозы.

Эти надёжные труженики и безопаснее, и дешевле. Линии электропередач им не нужны, а топливо — древесина и дешёвые сорта угля всегда под рукой.

Современные технологии позволяют улавливать до 95% выбросов в атмосферу и повысить КПД до 21%, так, что люди решили пока с ними не расставаться и работают над паровыми локомотивами нового поколения.


Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя в группе ВКонтакте. А ещё — спасибо, если ты нажмёшь на одну из кнопочек «лайков»:

Вы можете оставить комментарий к докладу.

www.doklad-na-temu.ru

История создания паровой машины и ее применение

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.

история создания паровой машины Но кто изобрел паровую машину? Кому человечество этим обязано? И когда это было? На все эти вопросы и постараемся найти ответы.

Еще до нашей эры

История создания паровой машины начинается еще в первых столетиях до нашей эры. Герон Александрийский описал механизм, который начинал работать только тогда, когда на него воздействовал пар. Устройство представляло собой шар, на котором были закреплены сопла. Из сопел по касательной выходил пар, тем самым заставляя двигатель вращаться. Это было первое устройство, которое работало на пару.

Создатель паровой машины (а точнее, турбины) – Таги-аль-Диноме (арабский философ, инженер и астроном). Его изобретение стало широко известно в Египте в XVI веке. Механизм был устроен следующим образом: потоки пара направляли прямо на механизм с лопастями, и когда дым валил – лопасти вращались. Нечто подобное в 1629 году предлагал и итальянский инженер Джованни Бранка. Главным недостатком всех этих изобретений был слишком большой расход пара, что в свою очередь требовало огромных затрат энергии и не было целесообразно. Разработки были приостановлены, так как тогдашних научных и технических знаний человечества было недостаточно. Кроме того, надобность в таких изобретениях напрочь отсутствовала.

Разработки

До XVII века создание паровой машины было невозможно. Но как только планка уровня развития человечества взлетела, тут же появились и первые экземпляры и изобретения. Хотя серьезно их никто на тот момент не воспринял. Так, например, в 1663 году английский ученый опубликовал в прессе проект своего изобретения, которое он установил в замке Реглан. Его устройство служило для того, чтобы поднимать воду на стены башен. Однако, как и все новое и неизведанное, данный проект был принят с сомнением, и спонсоров для его дальнейших разработок не нашлось.

паровая машина фото История создания паровой машины начинается с изобретения пароатмосферной машины. В 1681 году ученый из Франции Дени Папен изобрел устройство, которое откачивало воду из шахт. В качестве движущей силы в первое время применялся порох, а затем его заменили на водяной пар. Так появилась пароатмосферная машина. Огромный вклад в ее усовершенствование внесли ученые из Англии Томас Ньюкомен и Томас Северен. Неоценимую помощь также оказал русский изобретатель-самоучка Иван Ползунов.

Неудавшаяся попытка Папена

Пароатмосферная машина, далекая в то время от совершенства, привлекла особое внимание в судостроительной области. Д. Папен свои последние сбережения потратил на приобретение небольшого судна, на котором занялся установкой водоподъемной пароатмосферной машины собственного производства. Механизм действия заключался в том, чтобы, падая с высоты, вода начинала вращать колеса.

Свои испытания изобретатель проводил в 1707 году на реке Фульде. Много народу собралось, чтобы посмотреть на чудо: двигающееся по реке судно без парусов и весел. Однако во время испытаний произошла катастрофа: взорвался двигатель и погибли несколько человек. Власти разозлились на неудачливого изобретателя и запретили ему какие-либо работы и проекты. Судно конфисковали и разрушили, а через несколько лет скончался и сам Папен.

Ошибка

У парохода Папена был следующий принцип работы. На дно цилиндра необходимо было залить небольшое количество воды. Под самим цилиндром располагалась жаровня, которая служила для нагревания жидкости. Когда вода начинала кипеть, образующийся пар, расширяясь, поднимал поршень. Из пространства над поршнем через специально оборудованный клапан выталкивался воздух. После того как вода закипала и начинал валить пар, необходимо было убрать жаровню, закрыть клапан, чтобы удалить воздух, и при помощи прохладной воды охладить стенки цилиндра. Благодаря таким действиям пар, находившийся в цилиндре, конденсировался, под поршнем образовывалось разрежение, и благодаря силе атмосферного давления поршень вновь возвращался на свое первоначальное место. Во время его движения вниз и совершалась полезная работа. Однако КПД паровой машины Папена был отрицательным. Двигатель парохода был крайне неэкономичен. А главное, он был слишком сложным и неудобным в эксплуатации. Поэтому изобретение Папена не имело будущего уже с самого начала.

Последователи

создание паровой машины

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.

паровая машина ползунова

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

джеймс уатт паровая машина

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.

создание паровой машиныСоздатель паровой машины также изменил и принцип подачи воздуха. Теперь пар попадал сначала под поршень, тем самым поднимая его, а затем собирался над поршнем, опуская. Таким образом, оба хода поршня в механизме стали рабочими, что ранее даже не представлялось возможным. А расход угля на одну лошадиную силу был в четыре раза меньше, чем, соответственно, у пароатмосферных машин, чего и добивался Джеймс Уатт. Паровая машина очень быстро завоевала сначала Великобританию, ну а затем и целый мир.

«Шарлотта Дандас»

После того как весь мир был поражен изобретением Джеймса Уатта, началось широкое применение паровых машин. Так, в 1802 году в Англии появился первый корабль на пару – катер «Шарлотта Дандас». Его создателем считается Уильям Саймингтон. Катер применялся в качестве буксировки барж по каналу. Роль движителя на судне играло гребное колесо, установленное на корме. Катер с первого раза успешно прошел испытания: отбуксировал две огромные баржи на 18 миль за шесть часов. При этом ему сильно мешал встречный ветер. Но он справился.

И все-таки его поставили на прикол, потому что опасались, что из-за сильных волн, которые создавались под гребным колесом, берега канала будут размыты. Кстати, на испытаниях «Шарлотты» присутствовал человек, которого весь мир сегодня считает создателем первого парохода.

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.

применение паровых машин

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.

fb.ru

История изобретения паровых машин

Статья опубликована 26.06.2014 05:49
Последняя правка произведена 20.08.2015 07:33

Определение

Паровая машина — двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.

Изобретение...

История изобретения паровых машин начинает свой отсчет еще с первого столетия нашей эры. Нам становится известно устройство, описанное Героном Александрийским, и приводимое в действие паром. Пар, выходящий из сопл по касательной, закреплённых на шаре, заставлял двигатель вращаться. Настоящая же паровая турбина была изобретена в средневековом Египте гораздо позднее. Ее изобретателем является арабский философ, астроном и инженер 16 века Таги-аль-Диноме. Вертел с лопастями начинал вращаться благодаря потокам пара, направленным на него. В 1629 г. подобное решение было предложено итальянским инженером Джованни Бранка. Главным минусом этих изобретений было то, что потоки пара были рассеивающимися, а это безусловно приводит к большим потерям энергии.

Дальнейшее развитие паровых машин, не могло происходить без подобающих условий. Необходимо было и экономическое благополучие и необходимость данных изобретений. Естественно этих условий не было и не могло быть до 16 века, в виду столь низкого уровня развития. В конце 17 века была создана пара экземпляров сих изобретений, но серьезно воспринята не была. Создателем первой является испанец Аянс де Бомонт. Эдвард Сомерсет - ученый из Англии в 1663 году опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан. Но поскольку все новое трудно воспринимается человеком, то финансировать данный проект никто не решился. Создателем парового котла считается француз Дени Папен. В ходе проведения опытов по вытеснению воздуха из цилиндра, посредством взрыва пороха, он выяснил, что полный вакуум можно получить только с помощью кипящей воды. А чтобы цикл был автоматический, необходимо чтобы пар производился отдельно в котле. Папену приписывают изобретение лодки, которое приводилось в движение посредством реактивной силы в комбинации концепций Таги-аль-Дина и Севери; также его изобретением считается предохранительный клапан.

Все описанные устройства не были использованы и признаны практичными. Даже «пожарная установка», которую в 1698 году сконструировал Томас Севери, прослужила не долго. Из-за высокого давления создаваемого паром в емкостях с жидкостями, они часто взрывались. Поэтому его изобретение посчитали небезопасным. В свете всех этих неудач история изобретения паровых машин могла бы прерваться, но нет.

Превью - увеличение по клику.

На картинках изображен паровой тягач Куньо. Как можно заметить, он был очень громоздким и неудобным в управлении.

Английским кузнец, Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Он представлял собой усовершенствованную модель парового двигателя Севери. Он получил свое применение в качестве откачки воды из шахт. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, подававшему воду вверх. Двигатель Ньюкомена был популярен и пользовался спросом. Именно с появлением данного двигателя принято связывать начало английской промышленной революции. В России первая вакуумная машина была спроектирована И.И.Ползуновым в 1763 году, а через год проект был воплощен в жизнь. Она приводила в действие воздуходувные меха на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах. Идея Оливера Эванса и Ричарда Тревитика, о использовании паров высокого давления, принесла значительные результаты. Р.Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Не смотря на увеличение эффективности, так же возросло количество случаев взрывов котлов, которые не выдерживали огромного давления. Поэтому принято было использовать предохранительный клапан, для выпуска излишнего давления.

Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо продемонстрировал в 1769 году первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровая телега). Его изобретение можно посчитать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор используемый в качестве мобильного источника механической энергии показал свою эффективность, он приводил в движение различные СХ машины. В 1788 году был построен, Джоном Фитчем пароход, который осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией и Берлингтоном. Он обладал вместимостью всего 30 человек, а передвигался со скоростью до 12 км/ч. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе был продемонстрирован первый самоходный железнодорожный паровой поезд, который был построен Ричардом Тревитиком.

autohis.ru

История изобретения паровых машин. Создание паровой машины :: SYL.ru

Возможности в использовании энергии пара были известны в начале нашей эры. Это подтверждает прибор под названием Героновский эолипил, созданный древнегреческим механиком Героном Александрийским. Древнее изобретение можно отнести к паровой турбине, шар которой вращался благодаря силе струй водяного пара.

Приспособить пар для работы двигателей стало возможным в XVII веке. Пользовались подобным изобретением недолго, однако оно внесло существенный вклад в развитие человечества. К тому же история изобретения паровых машин очень увлекательна.

Понятие

Паровая машина состоит из теплового двигателя внешнего сгорания, который из энергии водяного пара создает механическое движение поршня, а тот, в свою очередь, вращает вал. Мощность паровой машины принято измерять в ваттах.

История изобретения

История изобретения паровых машин связана со знаниями древнегреческой цивилизации. Долгое время трудами этой эпохи никто не пользовался. В XVI веке была предпринята попытка создать паровую турбину. Работал над этим в Египте турецкий физик и инженер Такиюддин аш-Шами.

Интерес к этой проблеме вновь появился в XVII веке. В 1629 году Джованни Бранка предложил свой вариант паровой турбины. Однако изобретения теряли большое количество энергии. Дальнейшие разработки требовали соответствующих экономических условий, которые появятся позднее.

Первым, кто изобрел паровую машину, считается Дени Папен. Изобретение представляло собой цилиндр с поршнем, поднимающимся за счет пара и опускающимся в результате его сгущения. Такой же принцип работы имели устройства Сэвери и Ньюкомена (1705). Оборудование применяли для выкачивания воды из выработок при добыче полезных ископаемых.

Окончательно усовершенствовать устройство удалось Уатту в 1769 году.

Изобретения Дени Папена

Дени Папен был по образованию медиком. Родившись во Франции, в 1675 году он переехал в Англию. Он известен многими своими изобретениями. Одним из них является скороварка, которую называли «Папенов котел».

Ему удалось выявить зависимость между двумя явлениями, а именно температурой кипения жидкости (воды) и появляющимся давлением. Благодаря этому он создал герметичный котел, внутри которого давление было повышено, из-за чего вода закипала позже обычного и повышалась температура обработки помещенных в него продуктов. Таким образом увеличивалась скорость приготовления пищи.

В 1674 году медик-изобретатель создал пороховой двигатель. Его работа заключалась в том, что при возгорании пороха в цилиндре перемещался поршень. В цилиндре образовывался слабый вакуум, и атмосферное давление возвращало поршень на место. Образующиеся при этом газообразные элементы выходили через клапан, а оставшиеся охлаждались.

история изобретения паровых машин

К 1698 году Папену удалось создать по такому же принципу агрегат, работающий не на порохе, а на воде. Таким образом, первая паровая машина была создана. Несмотря на существенный прогресс, к которому могла привести идея, существенной выгоды она своему изобретателю не принесла. Связано это было с тем, что ранее другой механик, Сейвери, уже запатентовал паровой насос, а другого применения для подобных агрегатов к этому времени еще не придумали.

Дени Папен умер в Лондоне в 1714. Несмотря на то, что первая паровая машина была изобретена им, он покинул этот мир в нужде и одиночестве.

Изобретения Томаса Ньюкомена

Более удачливым в плане дивидендов оказался англичанин Ньюкомен. Когда Папен создал свою машину, Томасу было 35 лет. Он внимательно изучил работы Сэйвери и Папена и смог понять недостатки обеих конструкций. Из них он взял все лучшие идеи.

кто изобрел паровую машину

Уже к 1712 году в сотрудничестве с мастером по стеклам и водопроводам Джоном Калли он создал свою первую модель. Так продолжилась история изобретения паровых машин.

Кратко можно пояснить созданную модель так:

  • Конструкция совмещала в себе вертикальный цилиндр и поршень, как у Папена.
  • Создание пара происходило в отдельном котле, который работал по принципу машины Сэйвери.
  • Герметичность в паровом цилиндре достигалась за счет кожи, которой был обтянут поршень.

Агрегат Ньюкомена подымал воду из копей с помощью воздействия атмосферного давления. Машина отличалась солидными размерами и требовала для работы большого количества угля. Несмотря на эти недостатки, модель Ньюкомена использовали в шахтах полвека. Она даже позволила вновь открыть шахты, которые были заброшены из-за подтопления грунтовыми водами.

В 1722 году детище Ньюкомена доказало свою эффективность, откачав воду из корабля в Кронштадте всего за две недели. Система с ветряной мельницей смогла бы сделать это за год.

Из-за того, что машина была создана на основе ранних вариантов, английский механик не смог получить на нее патент. Конструкторы пытались применить изобретение для движения транспортного средства, но неудачно. На этом история изобретения паровых машин не прекратилась.

Изобретение Уатта

Первым изобрел оборудование компактных размеров, но достаточно мощное, Джеймс Уатт. Паровая машина была первой в своем роде. Механик из университета Глазго в 1763 году принялся чинить паровой агрегат Ньюкомена. В результате ремонта он понял, как сократить расход топлива. Для этого необходимо было держать цилиндр в постоянно нагретом состоянии. Однако паровая машина Уатта не могла быть готова, пока не решилась проблема конденсации пара.

Решение пришло, когда механик проходил мимо прачечных и заметил, что клубы пара выходят из-под крышек котлов. Он понял, что пар – это газ, и ему нужно перемещаться в цилиндре с пониженным давлением.

Добившись герметичности внутри парового цилиндра с помощью пеньковой веревки, пропитанной маслом, Уатт смог отказаться от атмосферного давления. Это стало большим шагом вперед.

паровая машина уатта

В 1769 году механик получил патент, в котором прописывалось, что температура двигателя в паровой машине будет всегда равна температуре пара. Однако дела незадачливого изобретателя шли не так хорошо, как ожидалось. Он был вынужден заложить патент за долги.

В 1772 году он знакомится с Мэтью Болтоном, который был богатым промышленником. Тот выкупил и вернул Уатту его патенты. Изобретатель вернулся к работе, поддерживаемый Болтоном. В 1773 году паровая машина Уатта прошла испытание и показала, что потребляет угля значительно меньше своих аналогов. Через год в Англии начался выпуск его машин.

В 1781 году изобретателю удалось запатентовать свое следующее творение – паровую машину для приведения в движение промышленных станков. Спустя время все эти технологии позволят двигать при помощи пара поезда и пароходы. Это полностью перевернет жизнь человека.

Одним из людей, изменивших жизнь многих, стал Джеймс Уатт, паровая машина которого ускорила технический прогресс.

Изобретение Ползунова

Проект первой паровой машины, которая могла приводить в действие разнообразные рабочие механизмы, был создан в 1763 году. Разработал его русский механик И.Ползунов, работавший на горнорудных заводах Алтая.

Начальник заводов был ознакомлен с проектом и получил добро на создание устройства из Петербурга. Паровая машина Ползунова была признана, и работа по ее созданию была возложена на автора проекта. Последний хотел сперва собрать модель в миниатюре, чтобы выявить и устранить возможные недочеты, которые не видны на бумаге. Однако ему приказали начать строительство большой мощной машины.

Ползунову предоставили помощников, из которых двое были склонны к механике, а двое должны были выполнять подсобные работы. На создание паровой машины ушел один год и девять месяцев. Когда паровая машина Ползунова была почти готова, он заболел чахоткой. Умер создатель за несколько дней до проведения первых испытаний.

паровая машина ползунова

Все действия в машине проходили автоматически, она могла работать беспрерывно. Это было доказано в 1766 году, когда ученики Ползунова провели последние испытания. Спустя месяц оборудование было сдано в эксплуатацию.

Машина не просто окупила затраченные средства, но и дала прибыль своим владельцам. К осени котел дал течь, и работы остановились. Агрегат можно было починить, но это не заинтересовало заводское начальство. Машина была заброшена, а спустя десятилетие разобрана по ненадобности.

Принцип действия

Для работы всей системы необходим паровой котел. Образовавшийся пар расширяется и давит на поршень, в результате чего происходит движение механических частей.

Принцип действия лучше изучить с помощью иллюстрации, представленной ниже.

кпд паровой машины

Если не расписывать детали, то работа паровой машины заключается в преобразовании энергии пара в механическое движение поршня.

Коэффициент полезного действия

КПД паровой машины определяется отношением полезной механической работы по отношению к затраченному количеству тепла, которое содержится в топливе. В расчет не берется энергия, которая выделяется в окружающую среду в качестве тепла.

КПД паровой машины измеряется в процентах. Практический КПД будет составлять 1-8%. При наличии конденсатора и расширении проточной части показатель может возрасти до 25%.

Преимущества

Главным преимуществом парового оборудования является то, что котел в качестве топлива может использовать любой источник тепла, как уголь, так и уран. Это существенно отличает его от двигателя внутреннего сгорания. В зависимости от типа последнего требуется определенный вид топлива.

История изобретения паровых машин показала преимущества, которые заметны и сегодня, поскольку для парового аналога можно использовать ядерную энергию. Сам по себе ядерный реактор не может преобразовывать свою энергию в механическую работу, но он способен выделять большое количество тепла. Оно то и используется для образования пара, который приведет машину в движение. Таким же образом может применяться солнечная энергия.

Локомотивы, работающие на пару, хорошо показывают себя на большой высоте. Эффективность их работы не страдает от пониженного в горах атмосферного давления. Паровозы до сих пор применяют в горах Латинской Америки.

первая паровая машина

В Австрии и Швейцарии используют новые версии паровозов, работающих на сухом пару. Они показывают высокую эффективность благодаря многим усовершенствованиям. Они не требовательны в обслуживании и потребляют в качестве топлива легкие нефтяные фракции. По экономическим показателям они сравнимы с современными электровозами. При этом паровозы значительно легче своих дизельных и электрических собратьев. Это большое преимущество в условиях горной местности.

Недостатки

К недостаткам относится, прежде всего, низкий КПД. К этому стоит добавить громоздкость конструкции и тихоходность. Особенно это стало заметно после появления двигателя внутреннего сгорания.

Применение

Кто изобрел паровую машину, уже известно. Осталось узнать, где их применяли. До середины ХХ века паровые машины применяли в промышленности. Также их использовали для железнодорожного и парового транспорта.

Заводы, которые эксплуатировали паровые двигатели:

  • сахарные;
  • спичечные;
  • бумажные фабрики;
  • текстильные;
  • пищевые предприятия (в отдельных случаях).

Паровые турбины также относятся к данному оборудованию. С их помощью до сих пор работают генераторы электроэнергии. Около 80% мировой электроэнергии вырабатывается с применением паровых турбин.

В свое время были созданы различные виды транспорта, работающие на паровом двигателе. Некоторые не прижились из-за нерешенных проблем, а другие продолжают работать и в наши дни.

Транспорт с паровым двигателем:

  • автомобиль;
  • трактор;
  • экскаватор;
  • самолет;
  • локомотив;
  • судно;
  • тягач.

Такова история изобретения паровых машин. Кратко можно рассмотреть удачный пример о гоночном автомобиле Серполле, созданном в 1902 году. На нем был установлен мировой рекорд по скорости, который составил 120 км в час на суше. Именно поэтому паровые авто были конкурентоспособными по отношению к электрическим и бензиновым аналогам.

Так, в США в 1900 году больше всего было выпущено паровых машин. Они встречались на дорогах до тридцатых годов ХХ века.

Большая часть подобного транспорта стала непопулярной после появления двигателя внутреннего сгорания, чей КПД значительно выше. Такие машины были более экономичными, при этом легкими и скоростными.

Стимпанк как веяние эпохи паровых машин

история изобретения паровых машин кратко

Говоря о паровых машинах, хочется упомянуть о популярном направлении – стимпанке. Термин состоит из двух английских слов - «пар» и «протест». Стимпанк - это вид научной фантастики, которая повествует о второй половине XIX века в викторианской Англии. Данный период в истории часто упоминается как Эпоха пара.

Все произведения имеют одну отличительную особенность – они повествуют о жизни второй половины XIX века, стиль повествования при этом напоминает роман Герберта Уэллса «Машина времени». В сюжетах описываются городские пейзажи, общественные строения, техника. Особое место уделяется дирижаблям, старинным машинам, причудливым изобретениям. Все металлические детали крепились при помощи клепок, поскольку сварку еще не применяли.

Термин «стимпанк» возник в 1987 году. Его популярность связана с появлением романа «Разностная машина». Написан он был в 1990 году Уильямом Гибсоном и Брюсом Стерлингом.

В начале XXI века в этом направлении было выпущено несколько известных кинофильмов:

  • «Машина времени»;
  • «Лига выдающихся джентльменов»;
  • «Ван Хельсинг».

К предтечам стимпанка можно отнести произведения Жюля Верна и Григория Адамова. Интерес к этому направлению время от времени проявляется во всех сферах жизни – от кинематографа до повседневной одежды.

www.syl.ru

Паровые двигатели и их применение

Паровые двигатели и их применение


Паровые машины

Герон Александрийский часто использовал энергию пара в своих изобретениях: для реализации раздвижных автоматических дверей в храмах, двигающих руками статуй богов и так далее. Он оставил много чертежей, по которым можно собрать реально действующие механизмы ......... читать

Паровые машины Томаса Ньюкомена и Джеймса Уатта

В 1705 году механик Томас Ньюкомен получил патент на изобретенную им тепловую машину. Паровой насос Ньюкомена начали использовать в Англии для откачки воды из шахт. Главной деталью его был поршень, уравновешенный грузом и двигавшийся в большом вертикальном цилиндре ......... читать

Паровой двигатель И. Ползунова

Впервые в мире машина работала без использования энергии воды. Однако это была всё ещё пароатмосферная машина, то есть пар использовался только для подъема поршня, который опускался под влиянием атмосферного давления. Машина эта могла быть использована для любых работ ......... читать

Паровые автомобили. Паровые дилижансы

Англичанин Ричард Трейвисик в 1801 году представил на суд публике «Пыхтящего Дьявола» — первый компактный паровой автомобиль, предназначенный для перевозки людей, а два года спустя — более удачный «Лондонский паровой экипаж». Скорость передвижения достигала 15 км/час ......... читать

Паровой трактор и паровые кареты

В 1822 году Давид Гордон взял патент на изобретенный им паровой трактор. Установленная в больших барабанах диаметром 2,7 м паровая машина через зубчатые колеса приводила барабаны во вращение. Впереди была приспособлена двухколесная тележка для управления трактором ......... читать

Самолеты с паровым двигателем

В середине XIX столетия француз Феликс де Тампль построил первый самолет с паровым двигателем. Установленная на самолете паровая машина имела два качающихся цилиндра, штоки которых соединялись с валом пропеллера, и трубчатый котел конструкции де Тампля ......... читать

Самолеты с паровым двигателем (продолжение)

В 1845 г. Уильям Хенсон совместно с механиком Д.Стрингфеллоу построил новую модель саолета с паровым двигателем. Этот летательный аппарат был значительно больше модели 1842-1843 гг. Эта модель имела размах крыльев - 6,1 м, взлетный вес ее составлял около 12 кг ......... читать

Первые пароходы

Началом применения паровых двигателей "на воде" был 1707 год, когда французский физик Дени Папен сконструировал первую лодку с паровым двигателем и гребными колесами. После испытания ее сломали лодочники, испугавшиеся конкуренции. Через 30 лет англичанин Джонатан Халлс изобрел паровой буксир ......... читать

Титаник. Первые военные пароходы. Паровые подводные лодки

Первый военный пароход был построен в США по проекту Р. Фултона в 1815г. Он предназначался для охраны акватории Нью-Йоркского порта и представлял из себя батарейный катемаран. Военные моряки называли его паровым фрегатом, однако Р. Фултон предпочитал называть его паровой батареей ......... читать

Первые паровозы

У Ричарда Трейвисика возникла идея поставить паровой автомобиль на рельсы. В 1804 году в Англии был создан первый паровоз - транспортное рельсовое средство, использующее в качестве двигателя паровую машину. Основные составные части паровоза: паровой котёл, паровая машина и тендер для топлива и воды ......... читать

Паровоз Черепановых

Всего Черепановыми было построено около 20 паровых машин для заводских и транспортных нужд мощностью от 2 до 60 лошадиных сил. Причем первая паровая машина была создана Е.А. Черепановым совершенно самостоятельно еще в 1820 году, т.е. до его поездки за границу ......... читать

Боевая паровая сухопутная техника

Изобретатель Николя Жозеф Куньо в 1770 году создал паровой тягач для транспортировки тяжелых орудий. Это была телега с установленным на ней паровым котлом. Котел имел топку, и огонь не приходилось разводить на земле, как в предшествующей модели ......... читать

Паровая турбина

В 1629 году Джованни Бранки была создана паровая турбина, где потенциальная энергия пара преобразовывалась в кинетическую и совершала работу. Здесь струя пара приводила в движение колесо с лопатками, напоминающее колесо водяной мельницы. Но первые турбины не могли создать высокое давление ......... читать

Паровые велосипеды - первые мотоциклы

C чего началась история мотоцикла? С того момента, когда люди устали крутить педали у велосипеда и попробовали установить на нем двигатель. Иенно так и появились велосипеды с паровыми двигателями, которые уже можно было назвать первыми мотоциклами ......... читать

Паровые роботы

В 1876 году Фрэнк Рид строит свою улучшенную версию Парового Человека — Steam Man Mark I. Второй "паровозочеловек" стал на пол метра выше (3,65 метра), получил фары вместо глаз, а пепел от сгоревших дров высыпался на землю через специальные каналы в ногах ......... читать

Мастер паропанка

Перед вами необычные робототехнические игрушки - миниатюрные модели танков, лодки, шагающего робота, робота-краба и других устройств, оснащенных паровыми котлами. Главная составная часть этих моделей - паровой котел. Вырабатываемый пар толкает поршни и обеспечивает вращательное движение ......... читать

Паровые игрушки

"Век пара" давно уже прошел, но и сегодня вы можете наяву посмотреть и попробовать в работе различные устройства с паровым двигателем. На этот раз это будут игрушечные действующие копии, которые можно приобрести в магазинах ......... читать

class-fizika.ru

Реферат "История изобретения паровых машин"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №1

пгт Славянка Хасанского муниципального района

Реферат по физике

на тему:

«История изобретения паровых машин»

Выполнила

ученица 8 «Б» класса

МБОУ СОШ № 1 пгт Славянка

Кулешова Ирина

Руководитель учитель физики

Нечаева Елена Владимировна

п. Славянка

2016 г

В нашем мире технологии и изобретения развиваются быстро. Мы имеем мгновенный доступ к информации со всего земного шара. Достижения современной медицины обезвредили опасные болезни. Можно очень далеко уехать в течение нескольких часов и даже попасть в космос. Все это возможно благодаря изобретениям и желанию людей.

Но у многих из современных изобретений было скромное начало. Открытия древности, ставшие источником современных изобретений. Отчего изобретение становится действительно важным?

Важные изобретения элегантны и их воздействие огромно. Они не просто решают отдельно взятую проблему, они открывают возможность реализации многих идей. Они открывают новые возможности.

Паровой двигатель открыл новый этап в развитии транспорта. Говорят, что изобретатель 18 века Джеймс Уатт открыл его, когда смотрел, как поднимается крышка над кипящим чайником.

Но люди знали о силе пара уже сотни лет, задолго до того, как Ватт решил выпить чашку чая. Уже в 100-м году нашей эры упоминается колесо паровой турбины, изобретенной Героном Александрийским и названной им «Шар Эола». Но Герон не осознавал потенциал своего изобретения и считал его простым развлечением для императора. Только через 2000 лет был изобретен первый реальный паровой двигатель

Паровая машина - тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина— любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.

Первая паровая машина построена в XVIIв. Папеном и представляла цилиндр с поршнем, который поднимался действием пара, а опускался давлением атмосферы после сгущения отработавшего пара. На этом же принципе были построены в 1705 году паровые машины Севери и Ньюкомена для выкачивания воды из копей. Окончательные усовершенствования в паровой машине были сделаны Джеймсом Уаттом в 1769 году.

Преимущества и недостатки

Основным преимуществом паровых машин, как двигателей внешнего сгорания, в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива (источник тепла)— от кизяка до урана. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового океана на разных глубинах.

Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга, которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.

Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает, а, наоборот, возрастает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки и Китая, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов.

В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM)1930-х годов, со множеством современных усовершенствований, таких, как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т. д. В результате такие паровозы имеют на 60% меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными тепловозами и электровозами.

Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса.

Первая паровая машина Папена (1690)

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, турецким астрономом, физиком и инженером XVI века Такиюддином аш-Шами. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.

Однако дальнейшее развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики двигателей могли бы воспользоваться их результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения. Первая машина была создана испанским изобретателем Иеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т.Севери. Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 году англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 году он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в 19-м столетии). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной. Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-х в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 году создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала только как демонстрационная модель: для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла, проложив, таким образом, путь к паровому двигателю Ньюкомена. Однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил. Папен также проектировал лодку, приводимую в движение колесом с реактивной силой в комбинации концепций Таки ад-Дина и Севери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.

Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Севери в 1698 году. На своё устройство Севери в 1698 году получил патент. Это был поршневой паровой насос, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы двигателя иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его «другом рудокопа».

Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Именно насос Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение.

В 1781 году Джеймс Уатт запатентовал паровую машину, которая производила непрерывное вращательное движение вала (в отличие от парового насоса Ньюкомена). Двигатель Уатта, мощностью десять лошадиных сил, стало возможным, при наличии каменного угля и воды, установить и использовать в любом месте для любой цели. С двигателем Уатта принято связывать начало промышленной революции в Англии.

Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.

Паровые машины разделяются:

1.по способу действия пара на машины с расширением и без него, причем первые считаются наиболее экономичными

2.по используемому пару

3.низкого давления (до 12 кг/см²)

4.среднего давления (до 60 кг/см²)

5.высокого давления (свыше 60 кг/см²)

6.по числу оборотов вала

7.тихоходные (до 50 об/мин, как на колёсных пароходах)

8. быстроходные.

9. по давлению выпускаемого пара

10. конденсационные (давление в конденсаторе 0,1—0,2 атмосфер)

Вакуумные машины

Двигатель Ньюкомена

Ранние паровые машины назывались вначале «огневыми машинами», а также «атмосферными» или «конденсирующими» двигателями Уатта. Они работали на вакуумном принципе и поэтому известны также как «вакуумные двигатели». Такие машины работали для привода поршневых насосов, во всяком случае, нет никаких свидетельств о том, что они использовались в иных целях. При работе паровой машины вакуумного типа в начале такта пар низкого давления впускается в рабочую камеру или цилиндр. Впускной клапан после этого закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. В двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр, и конденсат сбегает в сборник конденсата. Таким образом, создаётся вакуум в цилиндре. Атмосферное давление в верхней части цилиндра давит на поршень, и вызывает его перемещение вниз, то есть рабочий ход.

Поршень связан цепью с концом большого коромысла, вращающегося вокруг своей середины. Насос под нагрузкой связан цепью с противоположным концом коромысла, которое под действием насоса возвращает поршень к верхней части цилиндра силой гравитации. Так происходит обратный ход. Давление пара низкое и не может противодействовать движению поршня.

Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. В 1774 году появилась версия паровой машины, созданная Уаттом в сотрудничестве с Мэттью Боултоном, основным нововведением которой стало вынесение процесса конденсации в специальную отдельную камеру (конденсатор). Эта камера помещалась в ванну с холодной водой, и соединялась с цилиндром трубкой, перекрывающейся клапаном. К конденсационной камере была присоединена специальная небольшая вакуумная помпа (прообраз конденсатного насоса), приводимая в движение коромыслом и служащая для удаления конденсата из конденсатора. Образовавшаяся горячая вода подавалась специальным насосом (прообразом питательного насоса) обратно в котёл. Ещё одним радикальным нововведением стало закрытие верхнего конца рабочего цилиндра, в верхней части которого теперь находился пар низкого давления. Этот же пар присутствовал в двойной рубашке цилиндра, поддерживая его постоянную температуру. Во время движения поршня вверх этот пар по специальным трубкам передавался в нижнюю часть цилиндра, для того, чтобы подвергнуться конденсации во время следующего такта. Машина, по сути, перестала быть «атмосферной», и её мощность теперь зависела от разницы давлений между паром низкого давления и тем вакуумом, который удавалось получить.

Версия паровой машины, созданная Уаттом

Паровые машины двойного действия

Следующим важным шагом в развитии паровых машин высокого давления стало появление машин двойного действия. В машинах одиночного действия поршень перемещался в одну сторону силой расширяющегося пара, но обратно он возвращался или под действием гравитации, или за счёт момента инерции вращающегося маховика, соединённого с паровой машиной.

В паровых машинах двойного действия свежий пар поочередно подается в обе стороны рабочего цилиндра, в то время как отработанный пар с другой стороны цилиндра выходит в атмосферу или в конденсатор. Это потребовало создания достаточно сложного механизма парораспределения. Принцип двойного действия повышает скорость работы машины и улучшает плавность хода.Поршень такой паровой машины соединён со скользящим штоком, выходящим из цилиндра. К этому штоку крепится качающийся шатун, приводящий в движение кривошип маховика. Система парораспределения приводится в действие другим кривошипным механизмом. Механизм парораспределения может иметь функцию реверса для того, чтобы можно было менять направление вращения маховика машины.

Паровая машина двойного действия примерно вдвое мощнее обычной паровой машины, и кроме того, может работать с намного более лёгким маховиком. Это уменьшает вес и стоимость машин.

Большинство возвратно-поступательных паровых машин использует именно этот принцип работы, что хорошо видно на примере паровозов. Когда такая машина имеет два или более цилиндров, кривошипы устанавливаются со сдвигом в 90 градусов для того, чтобы гарантировать возможность запуска машины при любом положении поршней в цилиндрах. Некоторые колёсные пароходы имели одноцилиндровую паровую машину двойного действия, и на них приходилось следить, чтобы колесо не останавливалось в мёртвой точке, то есть в таком положении, при котором запуск машины невозможен.

В 1832 году впервые в России на заводе была построена паровая машина с кривошипно-шатунным механизмом для военного парохода «Геркулес» (Строитель парохода — английский кораблестроитель на русской службе В.Ф.Стокке.). Это была первая в мире удачная для пароходов паровая машина без балансира в 240 сил. Англичане дважды, в 1822 и 1826 годах, делали попытку изготовить такие машины для своих пароходов, но они оказались неудачными и их пришлось заменить обычными балансирнами машинами. Лишь на пароходе "Горгон"(Gorgon), спущенном на воду в 1837 году, они смогли установить машину прямого действия (без балансира), которая стала работать нормально.

Вы все, конечно, знаете Герона?

Теперь он знаменитый человек.

Известно всем, что жил во время оно

Александрийский этот древний грек.

В счастливый миг ему внушили музы

Конструкцию машины паровой,

На что Афины, Рим и Сиракузы

С усмешкой покачали головой.

Герон не знал, что жил до нашей эры,

Хоть миру наши знания он нёс.

Не стали пароходами галеры,

И паровоза не узрел Христос.

Чудак Герон! Один на всей планете,

Единственный на свете инженер,

Он возвестил за два тысячелетья

Пришествие эпохи ИТР.

(Валентин Дмитриевич Берестов)

Где и как внедрять паровые машины сегодня ?

В качестве объектов, чью энергетическую эффективность можно повысить с использованием современных паровых машин, могут выступать, в частности:

  • промышленные котельные с паровыми котлами – паровая машина для привода электрогенератора здесь включается на линии дросселирования водяного пара параллельно либо полностью взамен существующего редукционно-охладительного устройства , роль которого часто выполняет простая дроссель-задвижка;

  • паросиловые мини-теплоэлектроцентрали (мини-ТЭЦ), где паровую машину энергетически наиболее целесообразно предусматривать вместо маломощных паровых лопаточных и винтовых турбин, особенно если последние предусматриваются на электрическую мощность до 1,2 МВт и в одноступенчатом исполнении или же в многоступенчатом, но без промежуточного отбора пара;

  • технологические производственные установки, где по условиям реализации основных процессов выпуска продукции есть возможность с помощью парового котла-утилизатора использовать сбросное тепло (например, в металлургии такими установками могут выступать крупные сталеплавильные печи, а в стекольной промышленности – печи для варки стекла).

Технологические решения для мини-ТЭС – конденсационных мини-электростанций (мини-КЭС) и мини-ТЭЦ – с использованием современных паровых машин принципиально схожи с известными, реализуемыми на паротурбинных мини-ТЭС. Это комбинированное производство электрической и тепловой энергии .

Теоретически возможно осуществить технологию квадрогенерации, опять же с использованием современных паровых поршневых машин. Производство четырех видов энергии (скажем, механической для привода технологического производственного оборудования, а также электрической, тепловой и холодильной) в комбинированном режиме реализовать довольно сложно, т.к. все получаемые соответствующие мощности будут взаимозависимы. Однако благодаря тому, что у паровых поршневых машин расход пара через них в определенных пределах весьма слабо зависит от изменений нагрузки, квадрогенерация может стать практически осуществимым энергосберегающим мероприятием для промышленных и муниципальных энергетических объектов. А современная автоматика и микроконтроллерная техника этому могут здорово помочь.

Вывод

Современные паровые поршневые машины вполне могут способствовать энергосбережению в ряде технологических и энергетических установок, в частности тех, у которых при работе выделяется сбросное тепло в виде выхлопных или дымовых газов.

Источники:

  1. https://www.abok.ru/ сайт «Некоммерческое партнерство инженеров»

  2. www.automotivehistory.ru/ сайт «История автомобилестроения»

  3. Википедия

  4. Журнал «Энергосбережения»

kopilkaurokov.ru

История паровой машины » Перуница

История паровой машины
Применить силу пара для получения некоторой полезной работы — эта мысль издавна привлекала к себе внимание ученых и изобретателей. Еще около 2 тыс. лет тому назад греческий ученый Герон Александрийский описал множество в высшей степени любопытных приборов и механизмов, основанных на действии давления воздуха или пара. Но опыты эти не выходили за рамки простых игрушек, хотя идеи Герона могли, конечно, повлиять на работы позднейших изобретателей.

Весьма любопытное приспособление для получения работы при помощи упругости водяного пара мы находим в сочинениях Леонардо да-Винчи (1452—1519). Это паровая пушка, или, как ее называют, «Архитронито», т. е. сильнейший гром. Она представляла собой длинный металлический ствол, открытый с одного конца. На другом, закрытом конце, имеется небольшое отверстие, — эта часть ствола помещается в жаровню с горящими углями и сильно раскаляется. В ствол вводится каменное или свинцовое ядро, жаровня удаляется, а через отверстие в закрытой части ствола вливается некоторое количество воды. Попадая в раскаленное пространство, вода быстро обращается в пар. Создающееся при этом давление с силой выбрасывает снаряд из ствола пушки.

Прибор Де-Ля-Порта
Прибор Де-Ля-Порта
А — воронка; B — горлышко колбы; С — сифонная трубка; D — нижняя часть колбы, в которую налита вода; Е — очаг

Значительно большую и непосредственную роль в изобретении парового двигателя сыграли приборы, предназначенные для подъема воды при помощи давления пара. Наиболее раннее описание такого прибора мы находим у итальянского инженера и ученого Де-Ля-Порта (1538—1615). В его сочинении описан следующий «замечательный и высокомощный способ поднять воду вверх огнем». Нальем воду, которую мы желаем переместить на более высокий уровень, в какой-нибудь стеклянный ящик. Через его крышку пропустим так называемую сифонную трубку, открытую с обоих концов. Сквозь дно ящика пропускаем горлышко колбы, которая помещается на очаге. В колбу вливается немного воды. При кипячении воды в колбе образующиеся пары будут проходить в верхний ящик. Они будут сильно давить на поверхность содержащейся здесь воды, заставят ее подняться по сифонной трубке верх и вытекать наружу.Прибор Де-Ля-Порта
Прибор Де-Ко
В полый шар пропущена трубка. Шар наполняется водой и ставится на огонь. Образующийся пар вытесняет по трубке воду

Аналогичный прибор, предназначавшийся для устройства увеселительных фонтанов в королевских парках, предложил французский архитектор Саломон Де-Ко в своем сочинении «Причины движущих сил», изданном в 1615 г. Прибор Де-Ко представляет собой полый шар, в который пропущена трубка, доходящая почти до его внутренней стенки. Шар наполняется водой и ставится на огонь. Образующийся в шаре пар, не имея выхода, оказывает давление на поверхность воды, вытесняет ее по трубке, откуда она и начинает бить фонтаном.

В предложении Де-Ля-Порта и Де-Ко и лежит та идея использования прямого давления пара для водоотлива, которое нашло свое техническое и практическое осуществление в паровом насосе Томаса Сэвери, запатентованном им в 1698 г.

Машина Сэвери, подробно описанная им в небольшом сочинении «Друг рудокопа», предназначалась в качестве насоса для откачивания подпочвенных вод в английских шахтах. Для этой цели до тех пор пользовались обычно насосами, приводимыми в действие силой животных или большими водяными колесами. Уже в XVII веке в таких областях Англии, как Корнвалис, где было сильно развито горное дело, ощущалась большая потребность в новом двигателе, который не был бы связан с расположением рек, как водяные колеса, и который был бы более мощным, чем упряжные животные. Именно поэтому паровой насос Сэвери получил в Англии сравнительно широкое применение, несмотря на свои недостатки.

Машина Сэвери состояла из большого котла, в котором получался пар. Котел был соединен паропроводом с так называемым рабочим сосудом. Этот сосуд имел две трубы с соответствующими клапанами: одна из них (всасывающая) опускалась в водоем, откуда предстояло удалить воду; другая (нагнетательная) служила для подачи воды наверх, в особый резервуар. Пар выпускался при помощи специального крана в рабочий сосуд и заполнял его. Затем сообщение с котлом прерывалось, и сосуд обливался снаружи холодной водой. Пар охлаждался и снова обращался в воду (т. е. конденсировался). При этом в сосуде получалось сильное разряжение, так как вода занимает объем во много раз меньший, чем пар, из которого она образовалась. Тогда в это разряженное пространство устремлялась из водоема по всасывающей трубе вода. Она поднималась вверх и заполняла сосуд. Паровой кран снова открывался, и новая порция пара из котла поступала в сосуд. При этом пар производил давление на поднявшуюся сюда из водоема воду. Уйти обратно в водоем она не могла, так как ей мешал соответствующе устроенный клапан во всасывающей трубе, — и вода поднималась по нагнетательной трубе в верхний резервуар.

Чередуя эти операции, можно было с успехом производить откачку воды с небольшой глубины.

Паровой насос Сэвери
Паровой насос Сэвери
A — котел, в котором получается пар; B — рабочий сосуд с двумя трубами: нижняя — всасывающая, верхняя — нагнетательная
Сэвери впоследствии удалось усовершенствовать свою машину. Он устроил предохранительный клапан, применил автоматическое питание котла теплой водой, ввел второй рабочий сосуд, так что отливка воды происходила почти непрерывно: пока в одном сосуде создавалось разрежение и происходило засасывание воды, из другого она нагнеталась наверх.

По сравнению с конными водоотливными воротами машина Сэвери была гораздо более удобна. Она могла применяться и там, где водяные колеса из-за местных условий устроить было невозможно. В этой машине впервые применялось давление пара для промышленных целей.

Однако машина Сэвери обладала многими недостатками. Всасывание воды с ее помощью могло происходить с глубины не более 10 метров. Крайне непрочный котел, изготовлявшийся из медных листов, часто не выдерживал получаемого давления и разрывался. В глубоких шахтах приходилось устанавливать по нескольку машин одну над другой, что, разумеется, было весьма неудобно. Машина Сэвери требовала огромного расхода пара и, следовательно, топлива.

Начало нового этапа в истории применения пара для получения полезной механической работы связано с именем французского ученого Папина (1647—1712). К этому времени были уже в значительной степени изучены вопросы, относящиеся к давлению, производимому атмосферным воздухом. В этой области особенно большую роль сыграли работы ученых Торичелли, Паскаля и Герике.

Прибор Гюйгенса
Прибор Гюйгенса, в котором использовалось давление пороховых газов. При взрыве пороха на дне цилиндра газы подбрасывали поршень вверх
Значительная сила этого давления, естественно, навела ряд ученых и изобретателей на мысль использовать его как движущую силу. Еще до Папина некий Готфрейль, а в 1681 г. знаменитый голландский ученый Гюйгенс предложили использовать давление воздуха, заставляя его приводить в движение поршень, помещенный внутри цилиндра, где создавалось разрежение. На дно закрытого с нижней стороны цилиндра насыпалось немного пороха, который можно было зажечь при помощи фитиля, выпущенного наружу через особое отверстие с клапаном. В цилиндр вводился поршень и устанавливался в нижнем положении. При взрыве пороха образующиеся газы подбрасывали поршень вверх и заполняли все пространство цилиндра. Затем цилиндр охлаждался, газы сжимались, и создавалось разрежение, — тогда атмосферное давление с силой гнало поршень вниз. Движение поршня предполагалось при помощи блоков использовать для произведения некоторой работы, например для поднятия груза.

Папин, работавший вместе с Гюйгенсом и занимавшийся изучением давления воздуха и пара (им изобретен так называемый «папинов котел» для получения пара высокого давления и предохранительный клапан), предложил пользоваться для получения под поршнем разрежения не взрывом пороха, что было опасно, а кипячением воды, нагреваемой на дне цилиндра. Образующиеся при этом пары поднимут поршень. При охлаждении же пара в цилиндре получится разрежение, а поршень под давлением атмосферы опустится вниз. При этом будет подниматься некоторый груз, с которым поршень в его верхнем положении может быть соединен при помощи шнура и блоков.

Если приборы Гюйгенса и Готфрейля, действующие взрывом пороха, можно рассматривать как отдаленных предков двигателя внутреннего сгорания, то в изобретении Папина заложена идея поршневого парового двигателя, которая и получила практическое осуществление в XVII веке в виде так называемых атмосферных или «огнедействующих машин».

Папину не удалось осуществить своего изобретения и устроить паровую машину. Первая поршневая паровая машина с использованием атмосферного давления была построена английскими изобретателями—кузнецом Ньюкоменом и стекольщиком Коулем в 1705 г.

Паровая машина Ньюкомена
Паровая машина Ньюкомена
А — цилиндр; В — поршень; С—балансир; D — связь с насосом; Е— котел; F—кран для воды
Машина Ньюкомена получила в XVII веке весьма большое распространение и была на протяжении почти целого столетия единственным тепловым двигателем. Главную часть ее составлял цилиндр, расположенный вертикально, непосредственно над котлом, и соединенный с последним при помощи короткого паропровода. В цилиндре помещался поршень, соединенный посредством штока и цепи с концом горизонтально расположенного коромысла или балансира. Коромысло это могло качаться на оси. Противоположный конец балансира соединялся со штангой водоотливного насоса.

Из котла в нижний конец цилиндра выпускался пар, который толкал поршень вверх. Когда поршень почти достигал верхнего конца цилиндра, сообщение с котлом прекращалось, и внутрь цилиндра впрыскивалось некоторое количество холодной воды, — пар сгущался и под поршнем получалось разрежение; тогда под давлением атмосферы поршень опускался вниз, увлекая за собой один конец балансира и поднимая, таким образом штангу насоса, откачивающего воду.

Чередуя эти операции впуска и последующего охлаждения пара, можно, следовательно, привести в качательное движение балансир и заставить действовать насос.

Как видим, Ньюкомен в своей машине отказался от применения прямого давления пара, а заставил поршень подыматься при помощи пара и опускаться под действием давления атмосферы, как это впервые предложил Папин.

По сравнению с паровым насосом Сэвери машина Ньюкомена, которая может считаться первым паровым двигателем в собственном смысле этого слова, обладает многими преимуществами. Она могла производить откачку воды с любой глубины, — нужно было лишь сделать достаточно длинной штангу насоса. Машиной Ньюкомена можно было приводить в действие сразу несколько насосов, соединенных с балансиром. Она была менее опасна, чем насос Сэвери, так как здесь давление пара было очень невысокое (немного более 1 атмосферы).

На протяжении своего существования атмосферная машина подверглась значительным усовершенствованиям. Управление впуском пара и охлаждающей воды производилось уже не от руки, а автоматически во время работы машины при помощи специальных органов парораспределения. Отдельным частям машины были приданы наиболее удобные и целесообразные размеры. Выработался своеобразный нормальный тип атмосферной машины. Особенные заслуги в этой области принадлежат английским инженерам Бейтону и Смитону.

В этом, более усовершенствованном, виде атмосферная машина получила применение в английской горной промышленности, особенно в провинции Корнвалис и в Шотландии. Она применялась также в качестве водоподъемной машины в городском хозяйстве и при гидротехнических сооружениях (водопроводы, каналы, доки и т. д.).

В XVIII веке атмосферные машины появляются и в других странах, в том числе и в России. Еще при Петре Первом в Петербург была привезена водоподъемная машина Сэвери, которая была установлена в Летнем саду. Она накачивала здесь воду в различные фонтаны и водяные каскады, увеселявшие гуляющую придворную знать. Только в 1766 г. на Колывано-Вознесенеких заводах возле Барнаула была построена первая паровая, машина, имевшая промышленное значение. Сооружение этой машины связано с именем талантливого русского изобретателя И. И. Ползунова. Машина Ползунова принадлежала также к типу атмосферных машин, но он внес в нее много оригинального, значительно отступив от существовавших тогда в Англии образцов.

Значительно позднее Ползунова, уже в 1777 г. в Россию была доставлена заказанная в Англии большая машина Ньюкомена. И только в 1791 г. удалось построить самостоятельно на олонецких заводах паровую машину для одного из казенных рудников. Эта дата может считаться началом русского производства паровых двигателей, которое, однако, никогда в царской России не получило значительного развития.

Несмотря на то, что атмосферная машина Ньюкомена представляла значительный шаг вперед по сравнению с паровым насосом Сэвери, она все же имела много весьма существенных недостатков, толкавших техническую мысль искать дальнейших возможностей применения силы пара для получения полезной работы.

В машине Ньюкомена движение поршня и, следовательно, полезная работа получались за счет давления атмосферного воздуха. Чтобы получить возможно большее давление, приходилось чрезмерно увеличивать площадь поршня. В некоторых машинах его диаметр достигал двух метров.

Так как работа, развиваемая в цилиндре давлением рабочего тела (в данном случае атмосферного воздуха), зависит также и от длины хода поршня, то приходилось придавать цилиндру огромную длину, — иногда до трех метров. Соответственно этому приходилось увеличивать и прочие части машин. Благодаря таким колоссальным размерам цилиндра и поршня атмосферные машины представляли собой огромные, громоздкие сооружения, высота которых достигала 4—5-этажного здания.

Атмосферные машины поглощали невероятное количество топлива при сравнительно небольшой мощности. Если сопоставить количество энергии, которое содержалось в сжигаемом топливе, с работой, которую можно было получить oт этого топлива в атмосферных машинах, то мы получим величину, равную приблизительно одному проценту (так называемый общий коэфициент полезного действия). Насколько эта величина мала, видно из того, что современные двигатели дают коэфициент полезного действия в 8—12 процентов.

Наконец, машина Ньюкомена была пригодна исключительно для приведения в движение таких приборов, как насосы, воздуходувные меха и т. п., где требовалось прямолинейное возвратно-поступательное движение. Кроме того, ход их был неравномерный и очень медленный (10—12 ходов в минуту). Поэтому машины Ньюкомена нельзя было использовать для движения различного рода станков, где необходимо непрерывное, равномерное и притом вращательное движение. Для получения вращательного движения машину Ньюкомена пытались-было применить следующим образом: она должна была накачивать на некоторую высоту воду, которая затем направлялась на лопасти водяного колеса, вращающего рабочий вал станка. Но этот сложный способ был крайне невыгоден и неудобен.

Все эти недостатки атмосферной машины особенно остро дали себя знать во второй половине XVIII века, когда английская промышленность переживает подлинную революцию, выразившуюся в появлении целого ряда механических станков в прядильном, ткацком металлообрабатывающем производствах. Новые, механические орудия труда, пришедшие на смену ручным, ремесленным орудиям, применявшимся в мануфактуре, требуют нового более мощного и более удобного двигателя.

Конные приводы, ветряные двигатели, водяные колеса не удовлетворяют более требованиям нарождающейся капиталистической фабрики, где нужен был экономически выгодный, достаточно мощный, легко управляемый двигатель, который мог бы приводить в действие самые разнообразные станки и механизмы. Таким универсальным двигателем крупной промышленности и явилась усовершенствованная паровая машина Джемса Уатта.

Уатт родился 19 января 1736 г. в городе Гриньоке в Шотландии, в семье корабельного мастера и механика. В мастерской отца Уатт впервые познакомился с механическим искусством. После окончания школы 18-летний Уатт отправился в город Глазго и здесь устроился механиком при мастерской университета. Пребывание в Глазго оказалось чрезвычайно плодотворным для Уатта. Он приобрел довольно обширные знания в области физики, общаясь с рядом ученых. Эти научные сведения, настойчиво пополнявшиеся самообразованием, принесли Уатту огромную пользу при разработке его изобретения.

Поводом к занятиям Уатта паровым двигателем послужила небольшая модель атмосферной машины Ньюкомена, которую ему в 1763/64 г. пришлось починять. Приводя в действие модель, Уатт был поражен огромным расходом пара при работе модели. Этот недостаток, делавший крайне невыгодным применение атмосферных машин, Уатт правильно объяснил охлаждением стенок цилиндра при впрыскивании внутрь его воды, необходимой для конденсации пара и создания разрежения под поршнем.

Путем многочисленных и настойчивых опытов Уатт установил, что при впуске пара стенки цилиндра сильно нагреваются, затем при впуске воды они снова охлаждаются, и при новом впуске свежего пара тепло его расходуется сначала на нагревание стенок, что вызывает энергичную конденсацию вновь поступающего пара до тех пор, пока стенки цилиндра не приобретут температуры, равной температуре пара. Таким образом вследствие сочетания в одном сосуде рабочего цилиндра и конденсатора машина Ньюкомена давала огромные тепловые потери. Устранение этого недостатка и составляет одну из важнейших заслуг Уатта.

Он пришел к мысли поддерживать температуру цилиндра постоянной, а охлаждение пара производить не в самом цилиндре, а в отдельном сосуде, которому он впервые дал название конденсатора. Вместе с тем Уатт отказался от использования атмосферного давления, заменив его давлением самого пара, подаваемого после поднятия поршня в верхний конец цилиндра. Эти идеи были изложены Уаттом в его знаменитом патенте, взятом в 1769 г.

Уатту понадобилось несколько лет упорного труда, надежд и разочарований, прежде чем ему удалось в 1774 г. построить свою первую машину. Только благодаря материальной поддержке двух компаньонов-предпринимателей (Ребука, а затем Болтона), с которыми Уатт вступил в компанию, он добился окончательного успеха.

Паровая машина Уатта 1769 г.
Паровая машина Уатта 1769 г.
А — цилиндр; В — поршень; С — балансир; D — связь с насосом; Е — котел; F — кран, соединяющий цилиндр с конденсатором; G — конденсатор
Первый двигатель Уатта, построенный на основании проекта 1769 г., представлял собой так называемую машину простого действия. Она работала следующим образом. В закрытый сверху вертикальный цилиндр впускается поверх поршня пар. В это время нижняя сторона цилиндра соединяется при помощи специального клапана и трубы с холодильником-конденсатором, где особым насосом поддерживается все время разрежение. Пар своим давлением заставляет опускаться вниз поршень, соединенный с балансиром машины. Когда поршень займет нижнее положение, сообщение с конденсатором и котлом прекращается, при помощи специального приспособления устанавливается сообщение между обоими концами цилиндра. Благодаря этому давление на обе стороны поршня уравновешивается, и под действием специальных грузов балансир приходит в прежнее положение, поднимая поршень. Затем сообщение между верхней и нижней частью цилиндра прекращается, в верхнюю часть его снова пускается свежий пар, а нижняя часть снова соединяется с конденсатором. В конденсаторе опять создается разрежение, и под давлением пара поршень движется вниз. Как видим, в этой машине Уатта действие атмосферы вовсе устранено, но пар производит работу лишь по одну сторону поршня, почему она и называется машиной простого действия.

Новый двигатель Уатта дал большую экономию в расходе топлива по сравнению с атмосферной машиной, уменьшив почти вдвое количество потребляемого угля. Благодаря этому Уатт и его компаньон Болтон сразу же получили крупные заказы от ряда владельцев коней и рудников.

Общий вид паровой машины Уатта
Общий вид паровой машины Уатта
Однако при всем этом машина Уатта, подобно атмосферной машине, могла применяться по прежнему только для приведения в действие различного рода насосов и воздуходувных мехов, так как она давала только возвратно-поступательное движение. Между тем развивающаяся крупная фабричная промышленность нуждалась в двигателе, который давал бы непрерывное вращательное движение, необходимое для работы станков.

Добившись успеха с применением конденсатора и устранением атмосферного давления, Уатт занялся вопросом о сооружении машины, дающей непрерывное вращательное движение. Таким двигателем, завершившим в известной степени не только работы самого Уатта, но и весь предыдущий этап развития паровой машины, и явилась так называемая машина двойного действия, патент на которую был взят в 1784 г.

Общий вид паровой машины Уатта
Кривошип, позволяющий превращать возвратно-поступательное движение поршня паровой машины во вращательное движение колеса
В машине двойного действия пар впускается и работает поочередно по обе стороны поршня, как это делается во всех современных поршневых паровых машинах. В то время как в одну половину цилиндра впускается свежий пар, другая присоединяется к конденсатору, в котором создается разрежение.

Одновременно с применением принципа двойного действия, Уатт разрешил и задачу непрерывного вращательного движения.

Сначала Уатт придумал так называемый планетарный механизм. Он взял два зубчатых колеса. Одно из них он насадил на вал маховика, а другое прочно приладил к концу шатуна, идущего от поршня паровой машины. При одном обороте зубчатого колеса на конце шатуна колесо на валу маховика тоже делало определенное число оборотов, а вместе с ним приходил во вращательное движение и маховик, вращающий вал станка. Механизм очень остроумный, но на практике он удержался недолго. Уатту пришлось обратиться к другому, механизму — кривошипу, который уже издавна применялся в токарных станках для передачи качательного движения ножной педали во вращательное движение махового колеса. Теперь кривошип — самая обычная вещь в технике, когда нужно превратить поступательное движение поршня во вращательное движение вала, или наоборот. Но в восьмидесятых годах XVIII столетия это было приспособлением еще не нашедшим себе широкого и универсального применения.

Весьма важным является изобретенный Уаттом механизм для соединения штока поршня с концом балансира. В атмосферной машине и в машине простого действия рабочий ход поршня совершался лишь при его движении вниз, поэтому и соединение поршня с балансиром могло не быть жестким, — для этого применялась цепь. Но в машине двойного действия оба хода поршня являются рабочими. Здесь надо было передать усилие балансиру и тогда, когда поршень шел вверх, — для этого уже необходимо жесткое соединение. Это представляло большую трудность, так как конец качающегося коромысла описывает дугу, а шток поршня движется по прямой линии. Гениальным решением этой труднейшей кинематической задачи явился так называемый параллелограм Уатта, при помощи которого удалось жестко соединить движущийся по дуге конец балансира с прямолинейно движущимся концом поршневого штока.

Для регулирования хода машины Уатт ввел маховое колесо и специальный регулятор, при помощи которого автоматически изменялось поступление пара в цилиндр в зависимости от ускорения или замедления хода машины.

Джемс Уатт
Джемс Уатт
Уаттом был введен также метод измерения мощности паровой машины в лошадиных силах и изобретен специальный прибор, — так называемый индикатор, при помощи которого можно получать на бумаге графическое изображение связи между давлением пара в цилиндре и положением поршня. Этот прибор в несколько усовершенствованном виде до сих пор остался необходимым средством для рационального ухода и для изучения работы всех поршневых машин (двигателей, насосов, компрессоров и т. д.).

Изобретения Уатта не только сделали паровую машину более экономичной (ее коэфициент полезного действия достигал 3 процентов), но и открыл ей в качестве двигателя доступ во все области производства.

Разумеется двигатель Уатта был далек от совершенства. Низкое давление пара, тяжелый балансир, крайне громоздкое устройство котла — вот его основные недостатки.

Но это нисколько не уменьшает главнейшей заслуги Уатта. «Уатт, — писал Энгельс в «Диалектике природы», — придал паровой машине в принципе ее современный вид. Круговорот, открытый в этой области, закончился, удалось достигнуть превращения теплоты в механическое движение. Все дальнейшее было только улучшением деталей».

П. Забаринский
Техника молодежи 1935 №11

www.perunica.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *