Универсальную паровую машину создал: Первую универсальную паровую машину изобрел. История паровых машин
Первую универсальную паровую машину изобрел. История паровых машин
Ровно 245 лет назад – 5 января 1769 года – Джеймс Уатт получил патент на изобретённую им паровую машину. Чем не повод вспомнить историю создания паровой машины с самых древних времён?
Собственно сам патент и его обладатель –
История создания паровой машины начинается с того, что первое описание прибора, который приводился в движение при помощи пара, датируется первым веком и принадлежит Герону Александрийскому.
Пар, выходя по касательной из дюз, которые были закреплены на шаре, и заставляли его вращаться.
Настоящая паровая турбина была сконструирована уже в средневековом Египте, инженером 16-го века, астрономом и философом арабом Таки-ад-Дином Мухаммедом. История создания паровой машины продолжалась. Он изобрел методику вращения вертела при помощи пара. Он был направлен на лопасти, зафиксированные по ободу колеса.
Итальянский инженер Джованни Бранка предложил похожую машину в 1629 году.
Для дальнейшего развития истории создания паровой машины — парового приспособления — нужна была экономическая обстановка, при которой разработчики двигателя могли бы воспользоваться его результатом. Но в античной эпохе, как и в средневековье, и даже в Эпохе Возрождения таких условий не было. И только лишь к концу 17-го века были созданы паровые агрегаты, но пока как единичные курьезы. Первую машину создал испанский изобретатель Иеронимо Аянс де Бомонт. Его изобретения оказали немалое влияние на патент Т. Севери.
Англичанин Эдвард Сомерсет в 1655 году описал основной принцип действия паровых машин и спектр их применения. В 1663 году он напечатал проект, и в замке Реглан установил устройство для подъема воды на стену большой башни.
Данное устройство приводилось в движение при помощи пара (еще в 19-м веке можно было увидеть углубления в стене, где располагался двигатель). Но желающих рискнуть деньгами ради этого изобретения не нашлось, и поэтому дальнейшая разработка паровой машины оказалась невозможна. Французский физик и изобретатель Дени Папен тоже внёс свой вклад в историю создания паровой машины – он работал над созданием вакуума, а закрытом цилиндре.
Сотрудничая с голландским физиком Гюйгенсом, он в 1670-х годах работал над агрегатом, который бы путем взрыва вытеснял воздух из цилиндра.
Папен видел неполноту вакуума получаемого при взрыве, поэтому после прибытия в Великобританию в 1680 году, разработал такой же цилиндр, но при помощи кипящей воды, которая образовывала конденсат в цилиндре, добился более полного вакуума.
Так данным агрегатом он сумел при помощи веревки переброшенной через шкив, поднять груз, прикрепленный к поршню. Но машина работала только для демонстрации ее возможностей, и для повторной работы надо было ее полностью разобрать, а затем собрать сначала.
Тогда изобретатель понял, что для автоматизации цикла, надо производить пар в отдельном котле. Благодаря этому Папена считают изобретателем парового котла, и таким образом он открыл путь паровому двигателю Ньюкомена.
Но он не предложил полную конструкцию функционирующей паровой машины. Папен внёс огромный вклад в историю создания паровой машины тем, что работал над проектированием лодки, которая приводилась в движение при помощи колеса с реактивной силой в сочетании с изобретениями Севери и Таки ад-Дина. Так же ему приписывают изобретение еще ряда важных устройств, одно из них предохранительный клапан.
Из всех описанных приспособлений для решения нужных и полезных задач фактического применения не нашло ни одно. Первый паровой двигатель (за всю историю создания паровой машины), который принес реальную пользу, был разработан военным инженером из Англии Томасом Севери в 1698 году. Эта конструкция — «пожарная установка». В 1698 году Севери получил на нее патент. В целом это был поршневой насос, но довольно не эффективный, потому что во время охлаждения контейнера терялось тепло пара.
Из-за высокого давления пара трубопроводы и емкости двигателя иногда взрывались, поэтому в эксплуатации он был крайне опасен. Этот агрегат применялся в других отраслях, на водяных мельницах для вращения колес, а в шахтах с его помощью откачивали воду. Поэтому изобретатель дал конструкции еще одно название «друг рудокопа».
В 1712 году английский кузнец представил свое изобретение – «атмосферный двигатель».
Это была усовершенствованная модель парового двигателя Севери, только Ньюкомен в нем значительно уменьшил рабочий напор пара. Впервые этот двигатель был применен для откачки жидкости из глубокой шахты. В данном насосе коромысло связано с тягой, спускающейся к камере насоса в шахту. Возвратно-поступательные движения тяги переходили к поршню насоса, подававшему наверх воду. Этот паровой двигатель Ньюкомена стал первым двигателем в истории создания паровой машины, который получил широкое применение на практике. Именно с изобретением этого двигателя связывают начало промышленной революции в Великобритании.
В 1763 году в России была разработана первая вакуумная двухцилиндровая паровая машина.
Спроектировал ее механик И. И. Ползунов, а уже в 1764 году она была построена.
Применили ее на Барнаульских Колывано – Воскресенских заводах для того, что бы привести в рабочее состояние воздуходувные меха.
Следующими кто повысил эффективность паровых машин и внёс огромный вклад в историю создания паровой машины, были англичанин Ричард Тревитик и американец Оливер Эванс. Тревитик построил однотактовые промышленные двигатели высокого давления.
Многим они известны как «корноуэльские двигатели». Их рабочее давление составляло 50 фунтов на дюйм квадратный, или же 345 кПа (3,405 атмосферы). Но увеличение давление вело к увеличению опасности взрывов в котлах и машинах, а это в свою очередь приводило к множественным авариям. Поэтому одной из главных деталей на паровых машинах считался предохранительный клапан. Его предназначение это выпуск лишнего давления.
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.
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.
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.
Приводимые в движение паром транспортные средства все чаще использовались и в США: Натан Рид в 1790 году удивил жителей Филадельфии своей моделью парового автомобиля
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.
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.
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
Процесс изобретения парового двигателя, как это часто бывает в технике, растянулся чуть ли не на столетие, поэтому выбор даты для этого события достаточно условен. Впрочем, никем не отрицается, что прорыв, приведший к технологической революции, был осуществлен шотландцем Джеймсом Уаттом.
Над использованием пара в качестве рабочего тела люди задумывались еще в глубокой древности. Однако лишь на рубеже XVII–XVIII вв. удалось найти способ производить полезную работу с помощью пара. Одна из первых попыток поставить пар на службу человеку была предпринята в Англии в 1698 г.: машина изобретателя Сэйвери предназначалась для осушения шахт и перекачивания воды. Правда, изобретение Сэйвери еще не было двигателем в полном смысле этого слова, поскольку, кроме нескольких клапанов, открывавшихся и закрывавшихся вручную, в нем не имелось подвижных частей. Машина Сэйвери работала следующим образом: сначала герметичный резервуар наполнялся паром, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, отчего пар конденсировался, и в резервуаре создавался частичный вакуум.
После этого вода – например, со дна шахты – засасывалась в резервуар через заборную трубу и после впуска очередной порции пара выбрасывалась наружу.
Первая паровая машина с поршнем была построена французом Дени Папеном в 1698 г. Вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем, и образовавшийся пар толкал поршень вверх. Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень опускался вниз под действием атмосферного давления. Посредством системы блоков паровая машина Папена могла приводить в действие различные механизмы, например насосы.
Более совершенную машину в 1712 г. построил английский кузнец Томас Ньюкомен. Как и в машине Папена, поршень перемещался в вертикальном цилиндре. Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. При впрыскивании в цилиндр холодной воды пар конденсировался, в цилиндре образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом, двигавшимся наподобие качелей, поднимал вверх шток насоса.
Когда поршень находился в нижней точке своего хода, в цилиндр снова поступал пар, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса или на коромысле, поршень поднимался в исходное положение. После этого цикл повторялся.
Машина Ньюкомена широко использовалась в Европе более 50 лет. В 1740‑х годах машина с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняла работу, которую бригада из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, выполняла за неделю. И все‑таки ее КПД был чрезвычайно низок.
Наиболее ярко промышленная революция проявилась в Англии, прежде всего в текстильной промышленности. Несоответствие предложения тканей и стремительно возрастающего спроса привлекло лучшие конструкторские умы к разработке прядильных и ткацких машин. В историю английской техники навсегда вошли имена Картрайта, Кея, Кромптона, Харгривса. Но созданные ими прядильные и ткацкие станки нуждались в качественно новом, универсальном двигателе, который бы непрерывно и равномерно (именно этого не могло обеспечить водяное колесо) приводил станки в однонаправленное вращательное движение.
Вот здесь‑то во всем своем блеске предстал талант знаменитого инженера, «волшебника из Гринока» Джеймса Уатта.
Уатт родился в шотландском городке Гринок в семье кораблестроителя. Работая учеником в мастерских в Глазго, за первые два года Джеймс приобрел квалификацию гравировщика, мастера по изготовлению математических, геодезических, оптических приборов, различных навигационных инструментов. По совету дяди‑профессора Джеймс поступил в местный университет на должность механика. Именно здесь Уатт начал работать над паровыми машинами.
Джеймс Уатт пытался усовершенствовать пароатмосферную машину Ньюкомена, которая, в общем‑то, годилась только для перекачивания воды. Ему было ясно, что основной недостаток машины Ньюкомена состоял в попеременном нагревании и охлаждении цилиндра. В 1765 г. Уатт пришел к мысли, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если до конденсации отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. Кроме того, Уатт сделал еще несколько усовершенствований, окончательно превративших паро‑атмосферную машину в паровую.
Например, он изобрел шарнирный механизм – «параллелограмм Уатта» (называется так потому, что часть звеньев – рычагов, входящих в его состав, образует параллелограмм), который преобразовывал возвратно‑поступательное движение поршня во вращательное движение главного вала. Теперь ткацкие станки могли работать непрерывно.
В 1776 г. машина Уатта прошла испытания. Ее КПД оказался вдвое больше, чем у машины Ньюкомена. В 1782 г. Уатт создал первую универсальную паровую машину двойного действия. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Поэтому поршень совершал и рабочий, и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах. Поскольку в паровой машине двойного действия шток поршня совершал тянущее и толкающее действие, прежнюю приводную систему из цепей и коромысла, которая реагировала только на тягу, пришлось переделать. Уатт разработал систему связанных тяг и применил планетарный механизм для преобразования возвратно‑поступательного движения штока поршня во вращательное движение, использовал тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара.
Запатентованная Уаттом «ротативная паровая машина» сначала широко применялась на прядильных и ткацких фабриках, а позже и на других промышленных предприятиях. Двигатель Уатта годился для любой машины, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самодвижущихся механизмов.
Паровая машина Уатта поистине стала изобретением века, положившим начало промышленной революции. Но изобретатель на этом не ограничился. Соседи не раз с удивлением наблюдали за тем, как Уатт гоняет по лугу лошадей, тянущих специально подобранные тяжести. Так появилась единица мощности – лошадиная сила, получившая впоследствии всеобщее признание.
К сожалению, финансовые трудности вынудили Уатта уже в зрелом возрасте проводить геодезические изыскания, работать на строительстве каналов, сооружать порты и пристани, пойти, наконец, на экономически кабальный союз с предпринимателем Джоном Ребеком, потерпевшим вскоре полный финансовый крах.
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.
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.
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.
с.;Уже к концу XIX столетия паровые двигатели, сыграв свою роль в техническом прогрессе общества, уступают место 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
Парова́я маши́на — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу. Горизонтальная стационарная двухцилиндровая паровая машина для привода заводских трансмиссий. Конец XIX в. Экспонат Музея Индустриальной Культуры. Нюрнберг Значение паровых машинПаровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Поздние паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами и электромоторами, КПД которых выше. Паровые турбины, формально являющиеся разновидностью паровых машин, до сих пор широко используются в качестве приводов генераторов электроэнергии. Примерно 86% электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с использованием паровых турбин. Принцип действияДля привода паровой машины необходим паровой котёл . Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины , движение которых передаётся другим механическим частям. Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива — от кизяка до урана. Изобретение и развитиеПервое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским философом, астрономом и инженером XVI века Таги-аль-Диноме. Однако дальнейшее развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики двигателей могли бы воспользоваться их результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения. Только в конце 17-го столетия паровые двигатели были созданы как единичные курьёзы. Первая машина была создана испанским изобретателем Йеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т. Севери (см. ниже). Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 г. 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. Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Именно двигатель Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение, с которым принято связывать начало промышленной революции в Англии. Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах. Паровые машины с возвратно-поступательным движением Двигатели с возвратно-поступательным движением используют энергию пара для перемещения поршня в герметичной камере или цилиндре. Возвратно-поступательное действие поршня может быть механически преобразовано в линейное движение поршневых насосов или во вращательное движение для привода вращающихся частей станков или колёс транспортных средств. Вакуумные машиныГравюра двигателя Ньюкомена. Это изображение скопировано с рисунка в работе Дезаглирса «курс экспериментальной философии», 1744, которая является изменённой копией гравюры Генри Битона, датированной 1717 годом. 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. Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. В 1774 году появилась версия паровой машины, созданная Уаттом в сотрудничестве с Мэттью Боултоном, основным нововведением которой стало вынесение процесса конденсации в специальную отдельную камеру (конденсатор). Эта камера помещалась в ванну с холодной водой, и соединялась с цилиндром трубкой, перекрывающейся клапаном. К конденсационной камере была присоединена специальная небольшая вакуумная помп (прообраз конденсатного насоса), приводимая в движение коромыслом и служащая для удаления конденсата из конденсатора. версия паровой машины, созданная Уаттом В паровой машине Ньюкомена смазка поршня осуществлялась небольшим количеством налитой на него сверху воды, в машине Уатта это стало невозможным, поскольку в верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку смесью тавота и нефти. Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничение их эффективности, были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII века. Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора. Максимальный теоретический КПД был ограничен относительно малой разницей температур по обе стороны поршня; это делало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими. Приблизительно в 1811 году Ричарду Тревитнику потребовалось усовершенствовать машину Уатта, для того чтобы приспособить её к новым котлам Корниша. Давление пара над поршнем достигло 275 кПа (2,8 атмосферы), и именно оно давало основную мощность для совершения рабочего хода; кроме того, был существенно усовершенствован конденсатор. Паровые машины высокого давления В паровых машинах пар поступает из котла в рабочую камеру цилиндра, где расширяется, оказывая давление на поршень и совершая полезную работу. После этого расширенный пар может выпускаться в атмосферу или поступать в конденсатор. Важное отличие машин высокого давления от вакуумных состоит в том, что давление отработанного пара превышает атмосферное или равно ему, то есть вакуум не создаётся. Отработанный пар обычно имел давление выше атмосферного и часто выбрасывался в дымовую трубу, что позволяло увеличить тягу котла. Важность увеличения давления пара состоит в том, что при этом он приобретает более высокую температуру. Таким образом, паровая машина высокого давления работает при большей разнице температур чем та, которую можно достичь в вакуумных машинах. Дополнительное преимущество машин высокого давления состоит в том, что они намного меньше при заданном уровне мощности, и соответственно, существенно менее дорогие. Кроме того, такая паровая машина может быть достаточно лёгкой и компактной, чтобы использоваться на транспортных средствах. Возникший в результате паровой транспорт (паровозы, пароходы) революционизировал коммерческие и пассажирские перевозки, военную стратегию, и вообще затронул практически каждый аспект общественной жизни. Схема горизонтальной одноцилиндровой паровой машины высокого давления, двойного действия. Отбор мощности осуществляется приводным ремнем: 1 — Поршень2 — Шток поршня 3 — Ползун 4 — Шатун 5 — Коленчатый вал 6 — Эксцентрик для привода клапана 7 — Маховик 8 — Золотник 9 — Центробежный регулятор.  Паровые машины двойного действия Следующим важным шагом в развитии паровых машин высокого давления стало появление машин двойного действия. В машинах одиночного действия поршень перемещался в одну сторону силой расширяющегося пара, но обратно он возвращался или под действием гравитации, или за счёт момента инерции вращающегося маховика, соединённого с паровой машиной. В паровых машинах двойного действия свежий пар поочередно подается в обе стороны рабочего цилиндра, в то время как отработанный пар с другой стороны цилиндра выходит в атмосферу или в конденсатор. Это потребовало создания достаточно сложного механизма парораспределения. Принцип двойного действия повышает скорость работы машины и улучшает плавность хода. Поршень такой паровой машины соединён со скользящим штоком, выходящим из цилиндра. К этому штоку крепится качающийся шатун, приводящий в движение кривошип маховика. Система парораспределения приводится в действие другим кривошипным механизмом. Паровая машина двойного действия примерно вдвое мощнее обычной паровой машины, и кроме того, может работать с намного более легким маховиком. Это уменьшает вес и стоимость машин. Большинство возвратно-поступательных паровых машин использует именно этот принцип работы, что хорошо видно на примере паровозов. Когда такая машина имеет два или более цилиндров, кривошипы устанавливаются со сдвигом в 90 градусов для того, чтобы гарантировать возможность запуска машины при любом положении поршней в цилиндрах. Некоторые колёсные пароходы имели одноцилиндровую паровую машину двойного действия, и на них приходилось следить, чтобы колесо не останавливалось в мёртвой точке, то есть в таком положении, при котором запуск машины невозможен. |
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.
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.
Как можно заметить, он был очень громоздким и неудобным в управлении. 
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.
Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 г. итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.
англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 г. он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в 19-ом столетии). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной. Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-ых в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 г. создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала, как демонстрационная модель, но для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран.
Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла, проложив таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. Однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил. Папен также проектировал лодку, приводимую в движение колесом с реактивной силой в комбинации концепций Таги-аль-Дина и Севери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.
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».
Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления (американец Оливер Эванс и англичанин Ричард Тревитик). Р.Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм, или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования. Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др.
В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7-8 миль в час. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком.
Вероятно, изображён второй двигатель [хой]Ньюкомена, установленный приблизительно в 1714 в угольной шахте Гриф в Уоркшире. 
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.
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.
Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.
Такие машины получили название машин Корниша, и строились вплоть до 1890-х годов. Множество старых машин Уатта было реконструировано до этого уровня. Некоторые машины Корниша имели весьма большой размер.
После того, как машины высокого давления заменили вакуумные, они стали основой для дальнейшего развития и совершенствования всех возвратно-поступательных паровых машин. Однако то давление, которое считалось в 1800 году высоким (275-345 кПа), сейчас рассматривается как очень низкое — давление в современных паровых котлах в десятки раз выше.
Механизм парораспределения может иметь функцию реверса для того, чтобы можно было менять направление вращения маховика машины.
В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.
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.:max_bytes(150000):strip_icc()/GettyImages-172479266-58f66c115f9b581d591e2851.jpg)
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.
И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.
Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7—8 узлов. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в городе Мертир-Тидвил в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком.
Но в античной эпохе, как и в средневековье, и даже в Эпохе Возрождения таких условий не было. И только лишь к концу 17-го века были созданы паровые агрегаты, но пока как единичные курьезы. Первую машину создал испанский изобретатель Иеронимо Аянс де Бомонт. Его изобретения оказали немалое влияние на патент Т. Севери.
Так же ему приписывают изобретение еще ряда важных устройств, одно из них предохранительный клапан.
Тревитик построил однотактовые промышленные двигатели высокого давления.
Достижения в технике горного дела, в добыче разнообразных руд и полезных ископаемых были особенно велики. Нужно было поднять добытую руду или уголь из шахты, все время откачивать заливавшие разработку грунтовые воды, постоянно подавать в шахту воздух и ещё множество самых разнообразных трудоемких работ требовалось для того, чтобы не остановилась добыча. Таким образом, развивающаяся промышленность властно требовала все больше и больше энергии, а её могли предоставить в те времена в основном водяные колеса. Их уже научились строить достаточно мощными. В связи с ростом мощности колес все шире стал применяться металл для валов и некоторых других деталей. Во Франции па реке Сене в 1682 г. мастером Р. Салемом под руководством А. де Виля была сооружена крупнейшая для того времени установка, состоящая из 13 колес диаметром по 8 м, служившая для привода более 200 насосов, подававших воду на высоту свыше 160 м, и обеспечивавшая водой фонтаны в Версале и Марли. На первых хлопчатобумажных фабриках применялся гидравлический двигатель.
Машины прядильни Аркрайта с самого начала приводились в движение водой. Однако водяные колеса возможно было устанавливать лишь на реке, желательно полноводной и быстрой. И если текстильную или металлообрабатывающую фабрику ещё можно было построить на берегу реки, то залежи руды или угольные пласты нужно было разрабатывать только в местах залегания. А для откачки заливавших шахту подземных вод и подъема добытой руды или угля на поверхность тоже необходима была энергия. Поэтому на шахтах, удаленных от рек, приходилось использовать только силу животных.
Патент, полученный Севери, гласил:«Это новое изобретение по подъему воды и получению движения для всех видов производства при помощи движущей силы огня имеет большое значение для осушки рудников, водоснабжения городов и производства движущей силы для фабрик всех видов, которые не могут использовать водяную силу или постоянную работу ветра».
Водоподъемник Севери работал по принципу засасывания воды за счет атмосферного давления в камеру, где создавалось разрежение при конденсации пара холодной водой. Паровые машины Севери были крайне неэкономичны и неудобны в эксплуатации, их нельзя было приспособить для приведения в действие станков, они потребляли огромное количество томлива, коэффициент полезного действия их был не выше 0,3%. Однако потребность в откачке воды из шахт была настолько велика, что даже эти громоздкие паровые машины типа насоса получили некоторое распространение.
Паровая машина Ньюкомена не была универсальным двигателем. Заслуга Ньюкомена в том, что он одним из первых реализовал идею использования пара для получения механической работы. Его имя носит Общество историков техники Великобритании. В 1711 году Ньюкомен, Коули и Севери создали «Компанию обладателей правами на изобретение установки для подъема воды посредством огня». Пока эти изобретатели являлись обладателями патента на «использование силы огня», вся их работа по изготовлению паровых машин проводилась в строжайшем секрете. Швед Тривальд, занимавшийся наладкой машин Ньюкомена, писал: «…изобретатели Ньюкомен и Коули были весьма подозрительны и осторожны в том, чтобы сохранить за собой и своими детьми тайну постройки и применения своего изобретения. Испанский посланник при английском дворе, который приехал из Лондона с большой свитой иностранцев посмотреть на новое изобретение, не был даже допущен в помещение, в котором находились машины». Но в 20-е годы XVIII века действие патента окончилось и изготовлением водоподъемных установок занялись многие инженеры.
Появилась литература, в которой описывались эти установки.
Введение автоматического распределения потоков пара и воды упростило обслуживание машины, время хода поршня снизилось до 12–16 минут, что уменьшило габариты машины и удешевило конструкцию. Несмотря на высокий расход топлива, такого вида машины быстро получили широкое распространение. Уже в двадцатые годы XVIII века эти машины работали не только в Англии, но и во многих странах Европы – в Австрии, Бельгии, Франции, Венгрии, Швеции, применялись почти столетие в каменноугольной промышленности и для подачи воды в города. В России первая пароатмосферная машина Ньюкомена была установлена в 1772 г. в Кронштадте для откачки воды из дока. О распространенности машин Ньюкомена свидетельствует тот факт, что последняя в Англии машина такого типа была демонтирована только в 1934 году.
Ползунова и С. Черемисинова, ещё учившихся в Арифметической школе. Теоретическое обучение в школе уступило место практическому ознакомлению с работой самых современных тогда в России машин и установок Екатеринбургского завода. В 1748 г. Ползунов был переведен в Барнаул для работы на Колывано-Воскресенских заводах. После самостоятельного изучения книг по металлургии и минералогии в апреле 1763 года Ползуновым был предложен проект совершенно оригинальной паровой машины, которая отличалась от всех известных в то время машин тем, что была предназначена для приведения в действие воздуходувных мехов и являлась агрегатом непрерывного действия. В своей докладной записке об «огнедействующей машине» от 26 апреля 1763 г. Ползунов, по собственным его словам, хотел «…сложением огненной машины
водяное руководство пресечь и его, для сих случаев, вовсе уничтожить, а вместо плотин за движимое основание завода ее учредить так, чтобы она была в состоянии все наложенные на себя тягости, каковы к раздуванию огня обычно к заводам бывают потребны, носить и, по воле нашей, что будет потребно, исправлять».
И далее он писал: «Дабы сей славы (если силы допустят) Отечеству достигнуть и чтоб то во всенародную пользу, по причине большого познания о употреблении вещей, поныне не весьма знакомых (по примеру наук прочих), в обычай ввести». В дальнейшем изобретатель мечтал приспособить машину и для других нужд. Проект И.И. Ползунова был представлен в царскую канцелярию в Петербург. Решение Екатерины II было следующим: «Её Императорское Величество не токмо им, Ползуновым, всемилостивейше довольна быть, но для вящего поощрения повелеть соизволила: пожаловать ево, Ползунова, в механикусы с чином и жалованьем капитана-поручика, и выдать ему в награждение 400 руб».
Двигатель предназначался для приведения в действие механизмов одной из плавильных печей Барнаульского завода.
Когда один из цилиндров находился на холостом ходу, у другого был ход рабочий. Двигатель имел автоматическое парораспределение и впервые не был непосредственно связан с рабочей машиной. И.И. Ползунов создавал свою машину в чрезвычайно трудных условиях, своими руками, не имея необходимых средств и специальных станков. В его распоряжении не было искусных мастеров: руководство завода прикомандировало к Ползунову четырех учеников и выделило двух отставных рабочих. Топор и другие нехитрые инструменты, применявшиеся при изготовлении обычных тогда машин, здесь были мало пригодны. Ползунову пришлось самостоятельно конструировать и сооружать новое оборудование для своего изобретения. Строительство большой машины, высотой около 11 метров, сразу с листа, не опробованной даже на модели, без специалистов, потребовало огромного напряжения сил. Машина была построена, но 27 мая 1766 года И.И. Ползунов умер от скоротечной чахотки, не дожив неделю до испытаний «большой машины». Сама же машина, испытанная учениками Ползунова, не только окупившая себя, но и принесшая прибыль, проработала 2 месяца, дальнейшего усовершенствования не получила и после поломки была заброшена и забыта.
После двигателя Ползунова прошло полстолетия, прежде чем в России стали применять паровые машины.
В поисках средств для сооружения своего двигателя Уатт стал мечтать о выгодной работе за пределами Англии. В начале 70-х годов он заявил друзьям, что «ему надоело отечество», и серьезно повел разговоры о переезде в Россию. Русское правительство предложило английскому инженеру «занятие, сообразное с его вкусом и познаниями» и с ежегодным жалованьем в 1000 фунтов стерлингов. Отъезду Уатта в Россию помешал контракт, который он заключил в 1772 г. с капиталистом Болтоном, владельцем машиностроительного предприятия в г. Сохо близ Бирмингема. Болтон давно знал об изобретении новой, «огненной», машины, но колебался субсидировать ее постройку, сомневаясь в практической ценности машины. Заключить договор с Уаттом он поторопился лишь тогда, когда возникла реальная угроза отъезда изобретателя в Россию. Договор, связавший Уатта с Болтоном, оказался весьма действенным. Болтон показал себя умным и дальновидным человеком. Он не поскупился на расходы по сооружению машины. Болтон понял, что гений Уатта, освобожденный от мелочной, изнурительной заботы о куске хлеба, развернется в полную мощь и обогатит предприимчивого капиталиста.
Кроме того, сам Болтон был крупным инженером-механиком. Технические идеи Уатта увлекли и его. Завод в Сохо славился первоклассным по тем временам оборудованием, имел квалифицированные рабочие кадры. Поэтому Уатт с восторгом принял предложение Болтона наладить на заводе производство паровых машин новой конструкции. С начала 70-х годов и до конца своей жизни Уатт оставался главным механиком завода. На заводе в Сохо в конце 1774 г. была построена первая машина двойного действия.
он взял патент на пять способов преобразования качательного движения в непрерывно-вращательное. Вначале для этой цели он применял планетарное, или солнечное, колесо. Наконец, Уатт ввел центробежный регулятор скорости для изменения количества подачи пара в цилиндр машины при изменении числа оборотов. Таким образом, Уатт в своей паровой машине заложил основные принципы устройства и работы современной паровой машины.
В XIX веке распространение получают шахтные подъемные паросиловые установки, паросиловые воздуходувки, прокатные паросиловые установки, паровые молоты, паровые насосы и т.д.
с./ч. Применение перегретого пара было впервые предложено французским ученым Г.А. Гирном.
За изобретательскую деятельность Мирону Черепанову и его жене в 1833 г. была дана вольная. Ефиму Черепанову и его жене вольная была дана в 1836 г. Черепановы создали около 20 различных паровых машин, работавших на Нижнетагильских заводах.
4.5, 4.6). Из них выделяется построенный талантливым английским изобретателем Джорджем Стефенсоном (1781–1848) в 1825 г. паровоз «Ракета» (см. рис. 4.6,а, б
).
между Петербургом и Павловском. Двухколейная железная дорога Петербург- Москва начала действовать в 1851 г.
Фултон жил в Англии, где занимался строительством гидротехнических сооружений и решением ряда других технических задач. Находясь во Франции (в Париже), он построил подводную лодку «Наутилус» и паровое судно, которое было испытано на реке Сене. Но все это было только началом.
Она была универсальным двигателем промышленности и транспорта в течение всего XIX века, но ее возможности уже не соответствовали требованиям к двигателям, возникшим в связи со строительством электростанций и применением механизмов с высокими скоростями в конце XIX века.Джеймс Уатт (Доклад) — TopRef.ru
Джеймс Уатт
{ J. Watt } (1736-1819)
Джеймс Уатт — английский изобретатель, создатель универсальной паровой машины двойного действия.
Уатт добавил к труду многих предшественников значительные усовершенствования (конденсатор, впуск пара в цилиндр попеременно по обе стороны поршня), они оказались столь важными и сделаны были так вовремя, что паровая машина практически стала двигателем промышленной революции.
Подробная биография
Джеймс
Уатт родился в 1736 году в Англии.
Он не
получил специального образования, но
был квалифицированным мастером-инструментальщиком
и работал при университете в Глазго.
Путь Уатта к всемирной славе начался с обычной, рутинной работы. Ему поручили отремонтировать модель машины Ньюкомена. У него ничего не получалось, пока Уатт не понял, что виновата не модель, а принципы, лежащие в ее основе.
Во время загородной прогулки ему пришла в голову мысль: «Поскольку пар является эластичный телом он ринется в вакуум. Если между цилиндром и выхлопным устройством будет существовать соединение, то пар проникнет туда. Именно там его можно будет конденсировать, не охлаждая цилиндра». Так родилась идея важной части паровой машины — конденсатора, отдельного от рабочего цилиндра. На основе этого принципа Уатт строит свою модель, которая до сих пор сохранилась в лондонском музее.
9
января 1769 года Уатт получает патент на
«способы уменьшения потребления пара
и вследствие этого — топлива в огневых
машинах».
Законченную и вполне работоспособную машину двойного действия Уатт создал в 1774 году. Он запатентовал ее позднее, в 1784 году.
Паровая машина Уатта благодаря экономичности получила широкое распространение и сыграла огромную роль в переходе к машинному производству.
Его именем названа единица мощности — Ватт (единица системы Си /Вт/).
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://erudite.nm.ru
Сообщение о паровой машине джеймса уатта. Главные изобретения джеймса уатта
Некогда для откачки воды в шахтах и на судоремонтных предприятиях успешно использовалась паровая машина Ньюкомена, что продолжалось более 50 лет. В то же время вся эта конструкция имела внушительные габариты и требовала постоянного пополнения запасов угля. Временами для снабжения паровой машины топливом приходилось задействовать до 50 лошадей.
В общем, все указывало на то, что данный агрегат требует усовершенствования, весь вопрос состоял лишь в том, кому эта идея придет в голову первому.
Начало новой эры в механике
В середине 60-х годов 18 века талантливый механик Джеймс Уатт работал в университете Глазго. Однажды ему поступил заказ на ремонт паровой машины Ньюкомена, и, разобравшись в конструкции агрегата, Уатт решил попробовать ее немного усовершенствовать. Он предположил, что можно будет сократить расход недешевого топлива, если цилиндр паровой машины будет постоянно оставаться в нагретом состоянии. Ведь до этого поршень двигался вниз и совершал полезную работу благодаря тому, что емкость с паром охлаждалась при помощи впрыска воды. Но чтобы воплотить в жизнь данную идею, следовало разобраться с проблемой конденсации пара, которую Уатт решил достаточно элегантно.
Если верить историческим источникам, мысль о том, как можно сконденсировать пар, пришла Уатту в голову совершенно случайно, когда он увидел, как под давлением вырываются его струи из котлов прачечных.
Джеймс сообразил, что пар — это обыкновенный газ, который из цилиндра можно легко направить в другую емкость, создав в ней меньшее давление. Для этих целей Уатт решил использовать откачивающий насос и систему металлических отводящих трубок, которые забирали из цилиндра пар.
Паровая машина Джеймса Уатта
Следующее усовершенствование было направлено на то, чтобы заставить поршень в цилиндре совершать полезную работу не за счет атмосферного давления, а с помощью давления пара. Основная сложность состояла в том, чтобы сделать всю конструкцию герметичной, ведь добиться этого в то время было непросто. Но Уатт и здесь продемонстрировал отличную работу мысли — в своей машине он использовал в качестве уплотнителя пеньковую веревку, пропитанную маслом. Она по специальным углублениям наматывалась вокруг поршня, что позволило в большей части решить эту проблему.
Значение новой паровой машины для паровозостроения
Джеймс Уатт зарегистрировал патент на свое изобретение в 1769 году.
При этом в документе значилось, что он изобрел не новую паровую машину, а паровой двигатель, температура которого всегда равнялась температуре пара. Вероятно, талантливый механик тогда и сам не знал, насколько значимым его усовершенствование станет в будущем для паровозов. Благодаря тому, что поршень в новом двигателе перемещался под воздействием пара, можно было многократно увеличить его мощность, просто создав большее давление. Таким образом, не нужно было вновь наращивать габариты — последнее слово оставалось за компактными паровыми машинами, которые совсем скоро стали использоваться во всех отраслях промышленности.
Фото: Wikimedia Commons
Выдающийся шотландский инженер, изобретатель-механик Джеймс Уатт, труды которого положили начало промышленной революции сначала в Англии, а затем и во всем мире.
ПАРОВАЯ МАШИНА
В полном смысле этого слова Джеймс Уатт не был первым человеком, который изобрел паровую машину. Подобное устройство было описано Героном Александрийским в I веке н.
э. Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским инженером XVI века, который предложил метод вращения вертела силой потока пара, направляемого на лопасти, закрепленные по ободу колеса. Джеймс Уатт изобрел универсальную паровую машину, усовершенствовав паровую машину Ньюкомена, которую во времена Уатта использовали для откачки воды из угольных шахт. Первым таким значительным новшеством стала изолированная камера для конденсации: Джеймс Уатт зарегистрировал патент на свое изобретение в 1769 году. При этом в документе значилось, что он изобрел не новую паровую машину, а паровой двигатель, температура которого всегда равнялась температуре пара. Следующее усовершенствование было направлено на то, чтобы заставить поршень в цилиндре совершать полезную работу не за счет атмосферного давления, а с помощью давления пара. Позднее он также изолировал паровой цилиндр, а в 1782 году изобрел машину двойного действия, которая позволила увеличить производительность паровой машины в четыре раза, что дало 75% экономию в себестоимости угля.
В дополнение к другим различным усовершенствованиям паровой машин Уатт также изобрел центробежный регулятор, при помощи которого осуществлялся автоматический контроль за скоростью машины, манометр и дроссельный клапан.
ПАРОВОЙ МОЛОТ
Помимо паровой машины и усовершенствований для нее, Уатт также изобрел паровой молот. Патент на него изобретатель получил в 1784 году, сразу после получения патента на паровую машину. Это приспособление оснащалось маховым колесом, для привода распространенного в то время рычажного молота. Первый из молотов Уатта весил 54,5 килограмм и поднимался на высоту 8 дюймов (203 миллиметра). Затем Уатт построил рычажный паровой молот с весом падающих частей около 380 килограмм, производивший 300 ударов в минуту. Паровой молот был одной из важнейших машин своего времен и господствовал в машиностроении на протяжении 90 лет.
Мастерская Джеймса Уатта Фото: Frankie Roberto/Wikimedia Commons
КОПИРОВАЛЬНЫЙ ПРЕСС
В 1780 году Уатт изобрел и запатентовал портативный копировальный пресс, который состоял из коробки, в которой были отделения для карандашей, ручки, линейки и бумаги, а также специальный отсек для копировальной бумаги.
В металлизированной коробке был запас краски и воды на 24 листа копирования. Для зажима листа оригинала использовалась металлическая крышка. До начала работы копировальные листы 12 часов выдерживались в специальном составе. Фактическое копирование производилось поворотом ручки аппарата, вращавшей два латунных валика, расположенных в нижней части корпуса. Оригинал документа помещался на копировальную пластину между подъемными крышками. Его прижимали к влажной копировальной бумаге для получения оттиска, и, таким образом, на копировальных листах получалась зеркальная копия документа, которая после 24 часов сушки была готова к использованию. Компания, основанная Уаттом, выпускала подобные машины до конца XIX века, ее использовали в своей работе такие известные люди, как Бенджамин Франклин, Джордж Вашингтон и Томас Джефферсон.
В преклонных годах изобретатель также трудился над машиной для копирования скульптурных произведений, эйдографом — механическим приспособлением, позволяющим с высокой точностью копировать барельефы, медальоны, статуи и прочие вещи самой сложной формы.
ПАРАЛЛЕЛОГРАММ УАТТА
Механизм, изобретенный Уаттом в 1784 году для придания поршню паровой машины прямолинейного движения. Параллелограмм состоит из двух горизонтальных рычагов, шарнирно прикрепленных к концам вертикального рычага, который закреплен в центре балки моста и имеет возможность вращения. За счет поворота вертикального рычага компенсируется неравномерность движения в поворотах. В наши дни используется на задней оси в некоторых автомобильных подвесках.
Паровая машина Уатта. Фото: Eclipse.sx/Wikimedia Commons
ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ
В качестве измерения мощности Уатт предложил использовать понятие «лошадиная сила». Эта единица измерения использовалась при большинстве расчетов до 1882 года, пока Британская ассоциация инженеров решила назвать единицу мощности именем Уатта — Ватт. Это был первый в истории техники случай присвоения собственного имени единице измерения.
Паровая машина Т. Ньюкомена.
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 (2). Давление пара, подаваемого в цилиндр из котла (1), поднимало поршень. Впрыскивание холодной воды из резервуара (5) осаждало пар и создавало в цилиндре вакуум. Атмосферное давление опускало поршень вниз. Охлаждающая вода и сконденсированный пар выпускались из цилиндра по трубе (6), а излишний пар из котла — через предохранительный клапан (7).
После этого двигатель вновь был готов к следующему впрыскиванию пара. Основной недостаток машины Ньюкомена состоял в том, что 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.
Машина Ньюкомена была громоздкой, работала медленно и с перерывами.
Последующие изобретатели внесли много усовершенствований в насос Ньюкомена. Но принципиальная схема машины Ньюкомена оставалась неизменна на протяжении 50 лет.
Паровой двигатель Джеймса Уатта.
В 1765 году английский механик Джеймс Уатт создает паровой двигатель. В 1763-1764 годах ему пришлось чинить принадлежавший университету образец машины Ньюкомена. Уатт изготовил небольшую ее модель и принялся изучать ее действие. Уатту сразу стало ясно, что для более экономичной работы двигателя целесообразнее держать цилиндр постоянно нагретым. 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.
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.
Кожух сверху был закрыт, а цилиндр — открыт. Пар поступал в цилиндр из котла по боковой трубе. Цилиндр соединялся с конденсатором трубой, снабженной паровыпускным клапаном. Выше этого клапана был размещен еще один уравновешивающий клапан.
Однако машина совершала только одно рабочее движение, работала рывками и потому могла использоваться только как насос. Чтобы паровая машина могла приводить в действие другие машины, необходимо было, чтобы она создавала равномерное круговое движение. Такой двигатель двойного действия был разработан Уаттом в 1782 году. Огромных усилий потребовало от Уатта создание механизма передающего движение от поршня к валу, но Уатт добился и этого, создав особое передающее устройство, которое так и называется параллелограммом Уатта. Теперь новый двигатель Уатта годился для привода других рабочих машин. За 1785-1795 годы было выпущено 144 таких паровых двигателей, а к 1800 году в Англии работала уже 321 паровая машина Уатта
Для измерения мощности паровых машинУатт 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.
Паровые двигатели применяли во всех отраслях производства. Они широко использовались в промышленности, на транспорте и стали в свое время «двигателями технического прогресса».
Однако коэффициент полезного действия самых лучших паровых двигателей не превышал 5%! Из каждых 1000 кг топлива на полезную работу тратилось всего лишь 50 кг!
К концу 19 века схема паросиловой установки была значительно усовершенствована, и ее основные принципы сохранились до нашего времени.
___
Интересно, что в 1735 году в здании английского парламента был установлен первый в систории вентилятор,
который приводился в движение паровым
двигателем.
___
В 1800 году некий американец, владелец шахты по добыче каменного угля придумал первый паровой лифт.
В 1835 году этот паровой лифт вошёл в обиход фабричного грузоподъемного дела в Англии, а потом получил распространение в США.
А в 1850-х годах «Компания паровых подъёмников Отиса» установила свой первый пассажирский лифт в пятиэтажном
магазине на Бродвее. Лифт брал до пяти человек и вез их со скоростью 20 см в секунду.
Примерно в это же время в Англии над созданием паровой машины работал шотландец Джеймс Уатт .
Начиная с 1763 года он занимался усовершенствованием малоэффективной пароатмосферной машины Ньюкомена, которая, в общем-то, годилась только для перекачивания воды. Ему было ясно, что основной недостаток машины Ньюкомена состоял в попеременном нагревании и охлаждении цилиндра. Каким же образом избежать этого? Ответ пришел к Уатту воскресным весенним днем 1765 года. Он понял, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если до конденсации отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном.
Более того, цилиндр может оставаться горячим, а конденсор холодным, если снаружи их покрыть теплоизоляционным материалом.
Кроме того Уатт сделал еще несколько усовершенствований, окончательно превративших пароатмосферную машину в паровую. В 1768 году он подал прошение о патенте на свое изобретение. Патент он получил, но построить паровую машину ему долго не удавалось. И только в 1776 году паровая машина Уатта была, наконец, построена и успешно прошла испытание. Она оказалась вдвое эффективнее машины Ньюкомена.
В 1782 году Уатт создал новую замечательную машину — первую универсальную паровую машину двойного действия . Крышку цилиндра он оснастил изобретенным незадолго до того сальником, который обеспечивал свободное движение штока поршня, но предотвращал утечку пара из цилиндра. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Поэтому поршень совершал и рабочий и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах.Поскольку в паровой машине двойного действия шток поршня совершал тянущее и толкающее действие, прежнюю приводную систему из цепей и коромысла, которая реагировала только на тягу, пришлось переделать.
Уатт разработал систему связанных тяг и применил планетарный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения штока поршня во вращательное движение, использовал тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара.
Запатентованная Уаттом «ротативная паровая машина» сначала широко применялась для приведения в действие машин и станков прядильных и ткацких фабрик, а позже и других промышленных предприятий. Таким образом, паровая машина Уатта стала изобретением века, положившим начало промышленной революции.
В 1785 году одна из первых машин Уатта была установлена в Лондоне на пивоваренном заводе Сэмюэла Уитбреда для размалывания солода. Машина выполняла работу вместо 24 лошадей. Диаметр ее цилиндра равнялся 63 см, рабочий ход поршня составлял 1,83 м, а диаметр маховика достигал 4,27 м. Машина сохранилась до наших дней, и сегодня ее можно увидеть в действии в сиднейском музее «Пауэрхауз». Двигатель Уатта годился для любой машины, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самодвижущихся механизмов.
Несмотря на рождение в богатой семье, Джеймс Уатт пережил и почти нищенскую жизнь, и периоды непризнания его как специалиста. Тем не менее он разработал механизм, который сделал прорыв в промышленности всего мира
Семья и детство
Джеймс Уатт родился в весьма обеспеченной семье. Его отец работал кораблестроителем, кроме того приложил руку к строительству первого крана в местной пристани, его увлекали разные механизмы. Мать Джеймса была из богатой семьи. Именно обоим родителям будущий механик обязан тем, что они научили его читать и писать задолго до поступления в школу.
С детства Джеймс Уатт был очень болезненным. Поэтому учёба в школе была недолгой. Родители посчитали, что их ребёнок сможет всему научиться и сам, если этого пожелает. Так что целый год мальчик провёл в четырёх стенах
Не все друзья семьи понимали такой подход. Однажды Джеймса «поймали» на том, что он рисовал угольком что-то на очаге. Знакомый спросил у родителей, зачем они разрешают ребёнку портить имущество? На что Уатт-старший заметил, что сперва нужно разобраться, чем в действительности мальчик занят.
Как оказалось позже, тот решал задачу Эвклида.
Подростком Джеймс начал изучать астрономию и химию. Кроме того отец, который и сам был неравнодушен к ручному труду, научил его столярному делу. Таким образом Джеймс сделал несколько моделей механизмов, которые разработал его отец. А ещё начал самостоятельно проводить научные эксперименты.
Несмотря на то, что учился он не в классе под присмотром учителей, к тому возрасту, когда нужно было вступать в гимназию, его знания во многом были выше уровня его сверстников.
В гимназии он совершенствует свои знания в области математики, кроме того начинает изучать латынь. Среди его увлечений ярко проявляется любовь к чтению: всё увиденное в книгах Уатт сразу же пробует применить на практике.
Первая работа и первые трудности
В 1754 у Джеймса умерла мать, это событие выбило из колеи всю семью: отец тяжело переживал утрату, и поэтому все заботы пришлось взять на себя Джеймсу. Ему нужно было найти работу, которая бы приносила доход всей семье.
Решено было, что Уатт начнёт изучать ремесло по изготовлению измерительных приборов. Но поскольку в Шотландии негде было такому научится, он на целый год уехал в Лондон. Денег на целый семилетний курс у него не было, поэтому он устроился нелегальным учеником к мастеру Моргану.
Сперва ему поручают элементарную работу: изготавливать циркули и линейки, но вскоре смекалистый ученик уже самостоятельно делает квадранты, теодолиты и секторы. Почти всегда голодный, он даже на улицу не рискует выйти: с утра до вечера работает на хозяина, потом берёт на дом «халтуру», чтобы хоть как-то выжить, да и само его нелегальное положение могло закончиться весьма печально. Таких первыми вербовали на флот.
После года изнурительного труда, Уатт переезжает в Глазго, где начинает изготавливать и чинить измерительные приборы. Но вскоре его дело прикрывают — Союз ремесленников не разрешает ему продолжать работу, поскольку у Джеймса нет специального полного курса образования. Не спасает его даже тот факт, что он единственный на всю Шотландию умеет чинить телескопы и барометры.
Помог справиться с ситуацией случай: в университет города Глазго привезли партию измерительных приборов, которые нужно было почистить, настроить и установить. Никто не знал, как с ними обращаться, чтобы не испортить. И эту работу поручили именно Уатту. Чтобы никто не мешал ему заниматься делом, Джеймс обустроил при университете небольшую мастерскую. Таким образом его оставили на должности мастера научных инструментов.
В университете Джеймс Уатт подружился с Джозефом Блэком, химиком, вместе с которым они начали изобретать новые приборы.
Уатт-бизнесмен
В 1759 году Уатту предложил партнёрство местный бизнесмен-архитектор Джон Крейг. Вместе они занимались созданием различных инструментов, в том числе и музыкальных, а также первых музыкальных заводных игрушек. Впервые за несколько последних лет Уатт не живёт впроголодь, а наоборот — начинает зарабатывать большие деньги. Объём работ был таким огромным, что Джеймс вынужден был нанять помощников.
Сотрудничество продолжалось следующие шесть лет — вплоть до самой смерти Крейга.
В 1763 году Уатт женится на Маргарет Миллер, которая была его кузиной. В этом браке у них родилось пять детей, но выжили лишь двое. Маргарет скончалась в 1772 году при родах.
Вторично Уатт женился в 1777. Его женой стала Энн МакГрегор, в этом браке родилось двое детей.
Уатт-изобретатель
Поработать над разработкой модернизации паровой машины Уатту предлагали ещё в 1759 году, но тот отказался. Механизм Ньюкомена существовал тогда уже добрых полстолетия, но никому не было дела до того, чтобы в ней разобраться и усовершенствовать.
Ещё через четыре года к нему написал профессор университета Глазго с предложением произвести ремонт макета машины, который у них имелся. В результате Уатт не только отремонтировал механизм, но, увлёкшись работой, изменил некоторые детали и, таким образом, усовершенствовал его. Теперь энергия пара шла на разогрев всего цилиндра, а не просто преобразовывалась в механическую.
Работа над паровым механизмом так увлекла Уатта, что он начал проводить разные эксперименты с кипячением воды.
И открывает скрытую теплоту. Он понимает, что пар может нагревать сильнее, чем горячая вода.
В 1769 Уатт наконец получает патент на свою разработку — изолированную камеру для конденсации. В том же году он хочет построить первую полномасштабную модель паровой машины, но сделать это не удаётся. Обработка металла в те годы ещё не была на нужном уровне, да и капиталовложений требовалось немало.
На помощь изобретателю приходят местные предприниматели. Они помогают изготовить нужную модель. Но, чтобы поставить производство на поток, нужны деньги. Здесь он опять находит поддержку — становится партнёром в компании Boulton and Watt. За 25 лет совместного бизнеса Уатт стал очень богатым человеком.
В 1782 Джеймс разработал механизм двойного действия, исключив из машины паровой цилиндр.
Судебные тяжбы и старость
В 1782 году Уатт запатентовал ещё пять новых разработок парового двигателя. Но тут стало появляться множество подделок на его работы. Компаньоны Болт и Уатт начали разбираться с каждым таким случаем, поскольку все они портили репутацию их изобретениям, кроме того были опасными для жизни.
Умер Джеймс Уатт в возрасте 83 лет, его похорони в Хэмсворте.
- Уатту хотели вручить титул барона за несколько лет до его смерти, но изобретатель отказался.
- В его честь назван кратер на видимой стороне Луны.
- Именно Уатт предложил такую единицу мощности как «лошадиная сила».
- В его честь в 1882 году единицу измерения мощности назвали Ваттом.
Титулы и награды
- 1784 — член Лондонского королевского общества.
Известные высказывания
Ничего не может быть позорнее для человека, чем браться не за своё дело.
Я не занимаюсь изобретательством только для трёх стран, но я занимаюсь тем, что нахожу полезным для целого мира.
История изобретения паровых машин
|
Существуют разные виды тепловых двигателей: паровая машина, паровая турбина, реактивный двигатель, двигатель внутреннего сгорания. В тепловых двигателях энергия топлива переходит в энергию газа (пара), который расширяясь, совершает работу.
К паровым машинам относятся паровой котёл, паровой автомобиль, паровоз.
|
|
|
|
Рис. 1. Дени Папен — изобретатель парового котла |
Первый паровой котёл изобрел в 1690 г. Дени Папен — французский физик и изобретатель. Он, изучая работу газа в поршне, изобрёл паровой котёл, который получал полезную работу за счёт нагревания и конденсации пара.
В 1705 году Т. Ньюкомен создал пароатмосферную машину. В ней имеется отдельный котел, над ним установлен поршень. Рабочий ход происходит, когда в цилиндре создается разрежение в результате конденсации пара, и под действием атмосферного давления поршень опускается.
|
Модель 1. Пароатмосферная машина Т. Ньюкомена |
Одним из первых изобретателей паровой машины был И. И. Ползунов — русский изобретатель.
|
|
|||
|
Рис. 2. Паровая машина И. И. Ползунова — двигатель для воздуходувных мехов |
И.
И. Ползунов в 1765 г. построил паровую машину в качестве двигателя для воздуходувных мехов на уральском заводе.
В 1770 г. французский изобретатель Ж. Кюньо построил первую самодвижущуюся паровую машину — самодвижущуюся тележку для передвижения артиллерийских орудий.
|
|
|
|
Рис. 3. Самодвижущаяся паровая тележка Ж. Кюньо |
Первое же испытание самодвижущейся тележки привело к первой в истории человечества автоаварии — налетев на стену, тележка с легкостью её сокрушила.
В 1775 г. английский изобретатель Дж. Уатт создал универсальную паровую машину.
|
|
|
|
Рис. |
4. Паровая машина для передвижения Дж. УаттаПаровые машины Дж. Уатта стали широко применяться в производстве, что послужило росту производительности труда и подъёму экономики в XIX веке — промышленной революции.
|
Модель 2. Паровая машина для производства Дж. Уатта |
Первый паровоз был сконструирован английским изобретателем Р. Тревитиком в 1803 г.
|
|
|||
|
Рис. 5. Первый паровоз Р. Тревитика |
Паровоз, построенный в 1829 г. Дж. Стефенсоном в Англии развивал скорость 47 км/час и имел мощность 13 л.
с. (лошадиных сил). Именно с тех пор исторически сложилось измерять мощность автомобилей в л. с. (лошадиных силах).
В России первый паровоз был построен в 1834 г. Е. А. и М. Е. Черепановыми. Более 120 лет только паровозы были главным транспортом в нашей стране. Только в 1956 г. был прекращен выпуск паровозов.
|
|
|
|
Рис. 6. Паровозы |
Во всех видах паровых машин рабочим телом является водяной пар. Вода нагревается за счёт сгорания топлива. Основной частью паровой машины является цилиндр, внутри которого находится поршень. Поршень приводится в движение за счёт роста внутренней энергии пара в паровом котле.
Джемс Уатт » Детская энциклопедия (первое издание)
Иван Петрович Кулибин Механики ЧерепановыДжемс Уатт
На памятнике Джемсу Уатту написано: «Увеличил власть человека над природой».
Так оценили современники деятельность знаменитого английского изобретателя.
Дж. Уатт родился в Шотландии, неподалеку от крупного промышленного города Глазго. Отец его был механиком, и мальчика с детства окружали разнообразные инструменты и машины. Он много времени проводил в мастерской отца, присматривался к его работе и сам с увлечением мастерил модели машин. Несомненно, это и определило в дальнейшем жизненный путь Уатта.
Окончив начальную школу, мальчик несколько лет обучался ремеслу механика в Глазго, а потом год совершенствовал свое мастерство в Лондоне. Вернувшись снова в родной город, Дж. Уатт открыл мастерскую при местном университете. Он принимал заказы на изготовление и починку музыкальных инструментов и всевозможных точных приборов.
В 1763 г. Дж. Уатту пришлось заняться усовершенствованием пароатмосферной машины Т. Ньюкомена, принадлежавшей университету. Принцип ее работы был такой: пар поднимал поршень в цилиндре до самого верха. Затем в цилиндр под поршень впрыскивали воду.
Большая часть пара, охладившись, конденсировалась, т. е. превращалась в воду. Под поршнем образовывался вакуум, и атмосферное давление гнало поршень вниз.
Машина действовала медленно, неравномерно, была громоздкой, «пожирала» массу топлива. Ее можно было использовать только на угольных шахтах. Там она приводила в действие насосы. Вдали от угольных месторождений «прокормить» эту махину было очень трудно.
Усовершенствовать пароатмосферную машину Т. Ньюкомена пытались многие изобретатели, но неудачно.
Уатт решил прежде всего выяснить, почему машина Ньюкомена, поглощая так много топлива, производит такую незначительную работу. Он провел множество опытов, изучая свойства водяного пара. Данные зависимости температуры насыщенного пара от давления, выведенные Уаттом, очень близки к современным.
Настойчивость и упорство «мастера математических инструментов» — так называлась должность Уатта — привели к желанной цели. Ему стали ясны основные недостатки пароатмосферной машины.
«Я пришел к твердому заключению,— писал Уатт,— что, для того чтобы сделать совершенную паровую машину, необходимо, чтобы цилиндр был всегда так же горяч, как и входящий в него пар; но, с другой стороны, конденсация пара для образования вакуума должна происходить при температуре не выше 30°».
Так явилась мысль разделить цилиндр на две части: горячую, куда будет впускаться пар и где будет совершаться рабочий ход, и холодную, конденсирующую пар.
Конденсатор резко увеличил экономичность машины. Уатт сделал еще несколько усовершенствований, окончательно превративших пароатмосферную машину в паровую, и в 1768 г. подал прошение о патенте на свое изобретение.
Патент он получил, но построить паровую машину ему долго не удавалось. То не хватало денег, то не было механизмов для достаточно тонкой обработки поршня и цилиндра, то не получалось точной пригонки деталей.
Много мытарств претерпел Уатт. И только когда его компаньоном стал крупный английский промышленник Болтон, вложивший свои средства в постройку машины, дело сдвинулось с места.
В 1774 г. паровая машина Уатта была, наконец, построена и успешно прошла испытание. Она была вдвое эффективнее машины Ньюкомена и быстро распространилась на шахтах.
С этого времени материальные дела Уатта окончательно поправились. Переложив всю финансовую часть на Болтона, сам он занялся только любимым делом — изобретательством.
Но служить исключительно технике Уатту не всегда удавалось. Его постоянно втягивали в судебные процессы с изобретателями, совершенствовавшими его машину, много времени отнимали покупатели. Однако Уатт продолжал работу.
В 1784 г. Уатт создал первую универсальную паровую машину двойного действия. В ней пар поступал в цилиндр попеременно, то с одной стороны поршня, то с другой. Поэтому поршень совершал и рабочий, и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах. Кроме того, Уатт сконструировал центробежный регулятор, который включил в конструкцию этой машины. Маркс писал: «Великий гений Уатта обнаруживается в том, что патент, взятый им в апреле 1784 г.
, давая описание паровой машины, изображает ее не как изобретение лишь для особых целей, но как универсальный двигатель крупной промышленности». И действительно, двигатель Уатта годился для любой машины.
За эти годы Уатт изобрел также пять способов превращения возвратно-поступательного движения во вращательное, Один из них — замена кривошипно-шатунного механизма зубчатой передачей — был очень важным изобретением. Другой до сих пор называют параллелограммом Уатта.
Но Уатт занимался не только усовершенствованием своей машины. Ему принадлежали и такие важные изобретения, как первый в мире паровой молот и паровое отопление. Сконструировал он и несколько счетных машин, копировальных прессов и т. п.
Глубокий знаток техники, Уатт любил и понимал литературу, владел несколькими языками. Своим умом и разносторонними знаниями он всегда привлекал к себе не только молодежь, но и людей с большим жизненным опытом, образованных и ученых.
В последние годы жизни Уатт был близок с известным писателем Вальтером Скоттом, который искренне восхищался разнообразием познаний своего друга.
Дж. Уатту довелось еще при жизни увидеть победное шествие своего изобретения по всем странам. Окруженный уважением и славой, он прожил последние годы своей жизни в спокойствии и достатке.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Иван Петрович Кулибин Механики ЧерепановыПаровые машины — Документ
ПАРОВЫЕ МАШИНЫ
За
время своего развития паровые машины
значительно усовершенствовались,
поэтому на них было обращено внимание
при поиске замены двигателя внутреннего
сгорания. При сгорании в оптимальных
условиях продукты сгорания жидкого
нефтяного топлива были бы безвредны
для здоровья, однако этого не происходит
в двигателе внутреннего сгорания.
Характеристика крутящего момента
поршневой паровой машины очень выгодна
для привода автомобилей, но для этого
необходимо решить ряд задач.
Следует
напомнить, что паровую машину для
автомобилей использовали раньше, чем
двигатель внутреннего сгорания, и именно
автомобиль с паровой машиной первым
преодолел рубеж скорости 200 км/ч.
Конструкция
безопасного котла не представляет
трудностей. Удается ограничить объем
котла до объема трубы, имеющей вид
спирали, тем самым одновременно решается
вопрос о быстром парообразовании. Однако
большую проблему представляет вода. На
железных дорогах применение воды в
локомотивах с котельными установками
и непрерывным режимом эксплуатации
оправдано. При эксплуатации автомобиля,
например, один раз в неделю, замерзающая
жидкость доставляет большие хлопоты.
Пропагандист паровых автомобилей Лир
предлагает для применения жидкость,
которая заменила бы воду, но полной
информации о составе этой жидкости не
имеется. Независимо от типа применяемой
жидкости образующийся пар необходимо
конденсировать и вновь использовать.
При этом возникают большие трудности,
так как для размещения конденсаторов
потребовался бы объем всего автомобиля,
а привод вентилятора требовал бы
значительной мощности.
По этой причине
система конденсации в локомотивах
отсутствовала.
Другие трудности связаны с работоспособностью масла при высокой температуре и с устранением его из сконденсированной жидкости. Было сконструировано несколько типов силовых установок с паровым двигателем и приемлемым содержанием вредных веществ в отработавших газах, причем применялись как поршневая паровая машина, так и паровая турбина.
Дальше
всех пошел пионер паровых двигателей
Лир, который создал много прототипов.
В первую очередь он использовал поршневую
паровую машину, позднее испытывал
паровую турбину. Паросиловая установка,
предназначенная для размещения сзади
в автобусе, показана на рис. 106. Паровая
турбина развивает мощность около 160 кВт
и работает с полной конденсацией.
Некоторые прототипы этой установки
вследствие больших размеров конденсаторов
работали с частичной конденсацией, т.
е. при полной мощности часть пара
отводилась в атмосферу. Для легкового
автомобиля «Шевроле Монте Карло»
также была разработана паросиловая
установка, имевшая мощность 50 кВт и
размеры 610x660x410 мм.
Однако, как показывает анализ цикла Карно, при использовании паровой машины невозможно достичь удовлетворительного термического КПД силовой установки.
Вследствие этого имеется мало надежд на применение в автомобилях паросиловых установок.
Полный список универсальных паровых двигателей Advance-Rumely — Farm Collector
Home & nbsp / & nbsp Steam Traction Полный список универсальных паровых двигателей Advance-RumelyКейт В. Мози
Источник Кейта Мози для этого списка — Список запасных частей № 25 для Advance Rumely Universal Steam Engines .Его опыт общения с владельцами двигателей, которого он знает, похоже, подтверждает точность списка.
— Ред.
Ниже приводится полный список построенных паровых двигателей Advance-Rumely Universal с указанием номера двигателя, размера цилиндра, номинальной мощности и года выпуска. Эти двигатели были построены с заданной мощностью и разными размерами цилиндров, как показано в этом списке.
Будет ясно, что многие номера двигателей опущены. В те годы, когда производились задние редукторные двигатели Advance-Rumely Universal, компания Advance Rumely Thresher Co.также строил паровые машины M. Rumely Advance, используя те же номера двигателей в последовательности, что и разные двигатели. Это объясняет, почему отсутствуют отсутствующие номера двигателей.
Я считаю, что этот список будет очень интересным и информативным для всех, кто владеет этими двигателями или интересуется ими. IMA
| Двигатель Номер | Цилиндр Размер | HP Рейтинг | Год Мф.  |
| 14438 до 14440 Inc. | 9 х 11 | 22 | 1915 |
| 14441 | 9 х 10 | 16 | 1915 |
| 14442 | 10 х 12 | 25 | 1915 |
| 14616 до 14617 Inc. | 9 х 11 | 22 | 1916 |
| 14625 | 9 х 11 | 22 | 1916 |
| 14626 до 14630 Inc. | 9 х 10 | 20 | 1916 |
| 14631 до 14635 Inc. | 9 х 10 | 16 | 1916 |
| 14636 | Портативный | 21 | 1916 |
| 14638 | 9 х 10 | 20 | 1916 |
| 14639 | 10 х 12 | 25 | 1917 |
| 14647 | 9 х 10 | 16 | 1917 |
| 14648 до 14649 Inc. | 8-1 / 2 х 10 | 16 | 1917 |
| 14652 | 8-1 / 2 х 10 | 16 | 1917 |
| 14655 | 8-1 / 2 х 10 | 16 | 1917 |
14673 до 14674 Inc. | 10 х 12 | 25 | 1917 |
| 14675 | 9 х 10 | 20 | 1917 |
| 14675 | 12 х 10 | 20 | 1917 |
| Двигатель Номер | Цилиндр Размер | HP Рейтинг | Год Мф. |
| 14676 до 14677 Inc. | 10 х 12 | 25 | 1917 |
| 14678 до 14680 Inc. | 9 х 10 | 20 | 1917 |
| 14681 | 9 х 11 | 22 | 1917 |
| 14682 до 14685 Inc. | 9 х 10 | 20 | 1917 |
| 14686 | 9 х 11 | 22 | 1917 |
14687 до 14699 Inc. | 9 х 10 | 20 | 1917 |
| 14700 | 9 х 11 | 22 | 1917 |
| 14701 до 14706 Inc. | 9 х 10 | 20 | 1917 |
| 14709 до 14711 Inc. | 9 х 11 | 22 | 1917 |
| 14712 до 14713 Inc. | 9 х 10 | 18 | 1917 |
| 14714 до 14715 Inc. | 9 х 11 | 22 | 1917 |
| 14716 | 9 х 10 | 18 | 1917 |
| 14718 до 14719 Inc. | 9 х 10 | 20 | 1917 |
| 14720 до 14723 Inc. | 9 х 11 | 22 | 1917 |
| 14724 | 9 х 11 | 26 | 1917 |
| 14726 до 14730 Inc. | 9 х 11 | 22 | 1917 |
| 14732 | 9 х 11 | 22 | 1917 |
| 14733 | 7-1 / 4 х 9 | 18 | 1917 |
| 14733 | 10-1 / 4 х 9 | 18 | 1917 |
14734 до 14737 Inc. | 9 х 11 | 22 | 1917 |
| 14738 | 9 х 11 | 20 | 1917 |
| 14739 | 10 х 12 | 25 | 1917 |
| 14741 до 14742 Inc. | 10 х 12 | 25 | 1917 |
| 14743 | 9 х 11 | 20 | 1917 |
| 14745 до 14746 Inc. | 9 х 11 | 20 | 1917 |
| 14747 до 14748 Inc. | 10 х 12 | 25 | 1917 |
| 14767 до 14876 Inc. | 9 х 11 | 20 | 1918 |
| 14877 до 14901 Inc. | 9 х 10 | 18 | 1919 |
| 14902 до 15081 Inc. | 9 х 11 | 20 | 1919 |
| 15082 | 9 х 10 | 18 | 1920 |
| 15083 до 15092 | 9 х 11 | 20 | 1920 |
| 15093 | 9 х 10 | 18 | 1920 |
15094 до 15099 Inc. | 9 х 11 | 20 | 1920 |
| 15100 | 9 х 10 | 18 | 1920 |
| Двигатель Номер | Цилиндр Размер | HP Рейтинг | Год Мф. |
с 15101 по 15105 Inc. | 9 х 11 | 20 | 1920 |
| 15106 | 9 х 10 | 18 | 1920 |
| 15107 до 15109 Inc. | 9 х 11 | 20 | 1920 |
| 15110 до 15125 Inc. | 9 х 10 | 18 | 1920 |
| 15126 до 15167 Inc. | 9 х 11 | 20 | 1920 |
| 15168 до 15178 Inc. | 9 х 10 | 18 | 1920 |
| 15179 | 9 х 12 | 25 | 1920 |
15180 до 15183 Inc. | 9 х 11 | 18 | 1920 |
| 15184 до 15187 Inc. | 10 x12 | 25 | 1920 |
| 15189 до 15197 Inc. | 9 х 12 | 25 | 1920 |
| 15189 до 15197 Inc. | 13 х 12 | 25 | 1920 |
| 15198 до 15222 Inc. | 10 х 12 | 25 | 1920 |
| 15223 до 15228 Inc. | 9 х 10 | 18 | 1920 |
| 15229 до 15270 Inc. | 9 х 11 | 20 | 1922 |
| 15271 до 15305 Inc. | 9 х 10 | 18 | 1922 |
| 15306 до 15329 Inc. | 9 х 11 | 20 | 1923 |
| 15344 до 15352 Inc. | 9 х 11 | 20 | 1924 |
Опубликовано 1 мая 1985 г.
СТАТЬИ ПО ТЕМЕ
Прочтите об одном из первых поселенцев из Вашингтона, пустившем глубокие корни гениального новаторства.
Владелец парового тягового двигателя Advance-Rumely в Нидерландах нуждается в помощи в изучении его истории.
В честь Мейнарда Вестгаарда последней поездкой на старом паровом двигателе, его восстановленном паровом тракторе Case.
Copyright 2022, Все права защищены | Ogden Publications, Inc.
Паровой двигатель движет индустриальной революцией
ОбзорИзобретение паровой машины в 1698 году Томасом Савери (1650? -1715) было одним из самых важных шагов к современной индустриальной эпохе. в которой сила машин заменила силу мускулов человека или животных.Патент Савери 1698 года на его паровую машину, предназначенную для удаления воды, просачивающейся на дно угольных шахт, заложил основу для ряда усовершенствований и перепроектирований Томаса Ньюкомена (1663-1729) и, в первую очередь, Джеймса Ватта ( 1736-1819), что привело к трансформации не только труда, но и всего общества, для поддержки которого эта работа велась. В то время как любое количество других изобретений и устройств сыграло важную роль на пути к индустриализации, именно паровая машина, прежде всего, определила место и важность машины в современном мире и сделала возможным создание крупных заводов, которые были среди них. важнейшие начинания индустриальной цивилизации.
Предпосылки К концу 1600-х годов в Англии возникла проблема с топливом.
Суровые зимы и рост населения привели к истощению многих великих лесов Англии, когда деревья были вырублены и сожжены. То, что осталось, было более ценным как древесина, чем как топливо. Чтобы решить эту проблему, Англия обратилась к своим богатым месторождениям угля. К сожалению, добыча угля создала свой собственный набор проблем, в первую очередь из-за тенденции воды просачиваться в самые нижние части угольных шахт, что затрудняет, если не делает невозможным добычу угля.Были предприняты некоторые попытки удалить воду с помощью ручных насосов для создания вакуума в трубках: тогда вода всасывалась в вакуум. Однако ручная откачка была медленной и в конечном итоге неэффективной по сравнению с объемом воды в шахтах.
Изобретатель и торговец Томас Сэвери из Девоншира, Англия, зная об экспериментах с паром и давлением, обратил свои технические способности на создание механического устройства для использования этих свойств для подъема воды. Устройство Савера включало нагрев воды в бойлере; кипящая вода производила пар, который направлялся по трубам к резервуару, который, в свою очередь, был подключен к всасывающей трубе, которая спускалась в воду, которую нужно было поднять.
После заполнения приемной емкости паром ее опрыскивали холодной водой. Внезапное охлаждение сосуда привело к быстрой конденсации пара, создавая вакуум, который привел к изменению атмосферного давления во всасывающей трубке, заставляя воду подниматься по ее длине. Савери получил патент на устройство в 1698 году.
Четыре года спустя он опубликовал трактат с описанием своего изобретения The Miners Friend; Или «Двигатель для подъема воды с помощью огня» . Его двигатели стали известны как «Друзья горняков», хотя неясно, нашли ли какие-либо из них реальное применение в угольных шахтах.
С «Друзьями горняков» возникли некоторые технические проблемы, не в последнюю очередь из-за низкого качества металлической фурнитуры в то время. Поскольку устройство требовало контроля внутреннего давления — технически изобретением Савери был атмосферный двигатель, а не настоящий паровой двигатель — было жизненно важно, чтобы все трубы были плотно закрыты. Однако оказалось, что такие уплотнения трудно обслуживать, и устройства Savery страдали от постоянных повреждений стыков труб.
Другой изобретатель из Девоншира, кузнец Томас Ньюкомен, усовершенствовал устройство Савери, превратив его в настоящий паровой двигатель.Там, где «Друг горняков» использовал открытый огонь, в двигателе Ньюкомена использовался герметичный котел. Над котлом располагался поршневой цилиндр; Поршень был соединен с насосом, утяжеленный шток которого поднимал поршень в верхнюю часть цилиндра. Когда поршень находился в верхней части цилиндра, сам цилиндр наполнялся паром из котла. Холодная вода, которая была распылена в заполненный паром цилиндр, конденсировала пар, создавая вакуум, который тянул поршень вниз, завершая цикл насоса. Каждый завершенный цикл поднимал воду, в которой находилась нижняя часть насоса.Первая известная рабочая модель двигателя Ньюкомена была развернута в 1712 году, хотя считается, что ей предшествовали многие прототипы.
Усовершенствования Ньюкомена значительно повысили эффективность парового водоподъемного устройства, если не его эффективность. Однако движок Newcomen столкнулся с многочисленными юридическими проблемами из-за патента Savery и убежденности в том, что Newcomen нарушает права Savery.
После долгих переговоров Ньюкомен согласился выплатить гонорары Савери, а затем и синдикату, который приобрел патент Савери после его смерти.
Проблемы с эффективностью решить было труднее. Хотя опыт Ньюкомена как слесаря по металлу способствовал улучшению соединений и уплотнений в системе котла и труб, в его двигателе оставался серьезный недостаток. Поскольку поршневой цилиндр нужно было охлаждать для каждого цикла и повторно нагревать для каждого последующего цикла, огромное количество топлива требовалось просто для обновления пара. На угольных шахтах это не имело значения, где топлива, очевидно, было в избытке. Действительно, для более глубоких шахт несколько двигателей Ньюкомена использовались последовательно, поднимая воду с одного уровня на другой, каждый двигатель сжигал большое количество угля, приводя в действие каждый ход своего насоса.Однако в других местах необходимое количество топлива стало препятствием для широкого использования двигателей.
Двигатели Newcomen нашли более широкое применение, однако, с постоянными усовершенствованиями и усовершенствованиями, и эра пара действительно началась.
Однако весь потенциал пара ждал внимания шотландского инженера-механика Джеймса Ватта.
Ватта, производителя приборов, попросили в 1750-х годах отремонтировать двигатель Ньюкомена. Внимательное наблюдение за работой двигателя вдохновило Ватта. Неэффективность была результатом объединения парового цикла и цикла конденсации в одном цилиндре.Эта комбинация была не только неэффективной, но и создавала ужасную повторяющуюся нагрузку на цилиндр. Во время воскресной прогулки Ватт понял: процесс конденсации должен быть отделен от поршневого цилиндра. Он быстро сконструировал новую паровую машину, в которой пар, выполнив свою работу, направляется из первого цилиндра во второй, единственной целью которого было служить сосудом для конденсации. Ватт построил прототип, который существует до сих пор, в 1765 году и получил патент в 1769 году.
Проницательность Ватта принесла огромные плоды. Повышение теплового КПД — горячий цилиндр мог оставаться горячим, а холодный — холодным — привело к значительному увеличению экономичности работы парового двигателя: для выполнения большего объема работы требовалось меньше топлива.
При поддержке богатого английского фабриканта Мэтью Бултона (1728–1809) Ватт в 1775 году создал литейный завод Сохо в Бирмингеме, Англия. Из этого литейного цеха появились двигатели Watt и продолжающиеся улучшения. Возможно, наиболее важным усовершенствованием было введение Ваттом в 1782 г. механизма двойного действия, который позволял двигателю совершать как прямые, так и обратные ходы поршня, что существенно удваивало его работоспособность.Дальнейшее усовершенствование адаптировало паровой двигатель для вращательного движения — двигатель можно было использовать для движения в любом направлении, что сделало его идеальным не только для откачивания вверх и вниз, но и для любого повторяющегося цикла движения. Вскоре паровые двигатели стали приводить в движение хлопчатобумажные и шерстяные фабрики и нашли свое применение в других отраслях промышленности, особенно в развивающейся транспортной отрасли, которая адаптировала паровые двигатели для железных дорог и судов. Сама промышленность отреагировала, найдя все новые и более амбициозные применения для теперь универсального двигателя.
Сам пар оказался универсальным под управлением Ватта. Он топил офисы паром. Он разработал приборы для измерения эффективности двигателей и регуляторы для управления паровыми двигателями от неправильной или опасной работы. Осознание потенциальной опасности паровых двигателей фактически привело к одной из немногих упущений Ватта: до конца своей жизни он оставался противником использования пара высокого давления, несмотря на резкое повышение эффективности, которое давало более высокое давление.
Его изобретения не ограничивались паровой машиной. По мере того, как успех его двигателя распространялся, росли и бизнес-требования, с которыми столкнулся Ватт: заваленный документами, он изобрел химический процесс для копирования документов, процесс, который использовался до появления пишущей машинки, спустя долгое время после смерти Ватта.
По мере того, как важность паровой машины росла, Ватт также применял себя — и свои инженерные навыки — для документирования и измерения работоспособности двигателя.
Он создал единицу измерения, основанную на сравнении механической мощности с мощностью предыдущего универсального источника энергии — лошади.Единица измерения Ватта, лошадиные силы, приравнивается к способности лошади поднять 33000 фунтов (14 969 кг) на 1 фут (0,3 м) за 1 минуту. Лошадиная сила по-прежнему известна как показатель механической энергии.
Но это был не единственный вклад Ватта в язык измерения энергии. Когда он умер в возрасте 83 лет, его усовершенствование паровой машины уже было на пути к преобразованию всех аспектов человеческого общества. По сей день его имя известно не только как имя инженера и изобретателя, но и как, пожалуй, самая распространенная из всех единиц измерения энергии: ватт.
Удар Воздействие паровой машины невозможно переоценить — оно принадлежит печатному станку, электроэнергии, телеграфу и телефону, а в последнее время и компьютеру, как изобретениям, которые оказали драматическое и далеко идущее влияние. ранжирование влияния на цивилизацию.
Изначально как устройство, предназначенное для определенной цели — подъем воды, — паровой двигатель сам поднялся, чтобы поднять все общество в индустриальную эпоху. Сама промышленная революция — преобразование экономики от местной фабрики и цеха к экономике, основанной на огромных центральных фабриках и широком и быстром распределении товаров — держится на облаке пара.
Паровая машина затронула и изменила практически каждую отрасль. Угольные шахты, для которых впервые были разработаны «Друзья горняков Савери», становились все более и более важными как источник топлива для быстро растущего числа паровых машин; В свою очередь, повышенный КПД двигателей позволил шахтам опускаться еще глубже без затопления. Шахты по добыче других полезных ископаемых быстро последовали за угольными шахтами, все глубже и глубже уходя в землю. Сама металлургия отреагировала на потребность во все более жестких и долговечных уплотнениях: усовершенствования в металлообработке сделали возможным создание более крупных котлов, а более крупные котлы могли приводить в движение более крупные поршни, которые, в свою очередь, приводили в действие более крупные и более мощные машины.
Эти машины сделали возможным создание фабрики, краеугольного камня индустриального общества. Огромные централизованные производственные операции выросли на относительно дешевой и все более эффективной механической энергии, обеспечиваемой паровыми двигателями. Текстильная промышленность была одной из первых, кто получил выгоду от использования энергии пара, поскольку двигатели применялись для управления большими ткацкими станками, за которыми ухаживали десятки рабочих, производящих огромное количество ткани.
Способность приспосабливать паровые двигатели с помощью механических соединений к вращательным приводам, позволила создать паровой транспорт.Железнодорожные линии пересекли страны, а вскоре и континенты; пароходы путешествовали по океанам намного быстрее, чем парусные корабли. Некоторые модели ранних автомобилей были паровыми. Большая часть грузов, перевозимых по железной дороге и пароходам, производилась на паровых заводах. Паровое тепло, используемое для централизованного отопления, стало более распространенным.
По мере того, как важность фабрики росла, сами города увеличивались в размерах, так как население было привлечено к работе на фабриках.
Индустриализация оказалась палкой о двух концах.Некоторые рабочие, ремесленники и мастера, увидев, что машины вытесняют их навыки, в ответ последовали примеру Неда Ладда и устроили саботаж на фабриках. В течение девятнадцатого века условия на фабриках вызвали призывы к социальным реформам и обеспокоенность правами рабочих. Рост индустриальной цивилизации, приводимый в движение паром (а позже — электричеством и нефтью), можно было наблюдать в небе, которое само потемнело от дыма от горящего угля.
К добру и злу изобретения Савери, Ньюкомена и Ватта изменили ход мировой цивилизации, предоставив дешевый и эффективный источник энергии и энергии, который был адаптирован и продолжает использоваться в различных формах для управления автомобилем. двигатели цивилизации.
КИТ ФЕРРЕЛЛ
Дополнительная литература Cardwell, Donald.
История технологий Norton . Нью-Йорк: W.W. Norton & Company, 1994.
Карнеги, Эндрю. Джеймс Ватт . Нью-Йорк: Doubleday, Page & Company, 1905.
Лорд, Джон. Capital and Steam Power 1750-1800 . Лондон: 1923.
Savery, Thos. «Друг горняков»; Или двигатель для подъема воды с помощью огня, описанный .Лондон: С. Крауч, 1702.
Терстон, Роберт. История развития парового двигателя . Нью-Йорк: Д. Эпплтон и компания, 1878.
Наука и ее времена: понимание социального значения научных открытий
Изобретение универсальной паровой машины. Кто изобрел первую паровую машину
15 Многие сомневаются, что одна из главных движущих сил прогресса — человеческая лень и стремление к комфорту. Это подтверждают бесчисленные сказки, где транспорт передвигается «по нытье на чайках», а у счастливчиков есть волшебные помощники, избавляющие хозяина от необходимости прикладывать хоть какие-то физические усилия.Но поскольку реальность «сама» не свершилась, на протяжении всей истории человечества лучшие умы Корпела думали об изобретениях, которые помогли бы воплотить эти мечты в жизнь.
Если говорить языком физики и техники, необходимо было изобрести устройство, которое могло бы преобразовывать тот или иной вид энергии в полезную механическую работу. С древних времен основным и главным источником энергии была мускульная сила человека и животных, а все существующие технические устройства в лучшем случае помогали использовать ее более рационально и продуктивно.Позже люди научились применять силу ветра и воды, текущей или падающей с высоты, заставляя их работать в ветряных и водяных двигателях. Однако мощность таких двигателей была невелика, и необходимо было осваивать более перспективные виды энергии — тепловую, химическую и электрическую.
Первое известное тепловое устройство, работающее за счет силы пары, было построено греческим ученым Архименсионалом в III веке. До н.э. Это был пистолет, один конец которого нагревали, а потом заливали водой.Мгновенно нагреваясь, вода превратилась в парочку, которая, расширяясь, вытолкнула сердечник из сердечника. Двумя веками позже другой греческий ученый Герон Александриан создал и описал еще одну тепловую машину.
Полый железный шар, способный вращаться вокруг горизонтальной оси. Из закрытого котла с кипящей водой пар через трубку поступал на шар, откуда выходил через изогнутые сопла, при этом шар приходил во вращение.
Пароход «Майфлауэр» на реке Миссисипи.1855
Полтора тысячелетия «Жерсон» был просто забавной игрушкой, и только в XVI веке. Ученые задумались о возможности практического использования тепловой энергии. Знаменитый изобретатель Леонардо да Винчи был первым, кто предположил, что пары могут выполнять полезную работу. Об этом свидетельствуют рисунки в его рукописях, изображающие цилиндр и поршень. Да, Винчи утверждал, что если поместить воду под поршень в цилиндре, а сам цилиндр нагреть, то образующийся водяной пар расширится, что заставит его искать выход и перемещать поршень вверх.Параллельно арабский инженер Таги Аль Дин разработал проект устройства, в котором пар, направляемый на закрепленные на ряду лопасти, вращал вертел. В XVII веке подобную машину построил итальянский изобретатель Джованни Брранка.
Якорное устройство, вызванное переправой, поочередно поднимало и опускало пару чум в бревнах, в результате чего можно было раздавить зерно. Однако в этих прототипах паровых турбин парный поток был слишком рассредоточенным, в результате чего произошла значительная потеря энергии.
До конца XVII в. Паровые паровозы были скорее единичными техническими ранениями, так как экономических предпосылок для их массового использования еще не было. В 1-е годы французский изобретатель Дени Папен и голландский физик Кристиан Гигенс работали над автомобилем, в котором поршень поднимался из-за расширения газов при взрыве пороха. В 1680 году Папен создал версию двигателя, в которой вместо порошка использовалась вода. Его заливали в цилиндр под поршень, а сам цилиндр нагревался снизу, при этом образовавшаяся пара поднимала поршень.Затем цилиндр охладился, и пар в нем конденсировался, снова превратившись в воду.
Паровоз Д. Папане.
Поршень, как и в случае порохового двигателя, опускался под действием своего веса и атмосферного давления.
Папен также считается изобретателем парового котла, так как именно он понял, что для автоматизации парный цикл должен подводиться к цилиндру извне (поэтому паровая машина считается двигателем внешнего сгорания: топливо, подогревающая вода выгорел за пределами рабочего цилиндра).
Первой паровой машиной, которая не без успеха использовалась в производстве, стала конструкция в 1698 году английским военным инженером Томасом Севери «Пожарная установка». Это устройство, которое сам изобретатель называл «другом Руделопа», представляло собой паровой насос, который использовался для вращения колес водяной мельницы и для откачки воды из шахт. Автомобиль оказался не слишком эффективным из-за больших потерь тепла при охлаждении контейнера и достаточно опасным в эксплуатации, так как из-за высокого давления пара трубопроводов и мощность двигателя часто взрывались.
В 1712 году английский кузнец Томас Ньюкомен продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Это была усовершенствованная паровая машина Севери, в которой удалось значительно снизить рабочее давление Пары, следовательно, двигатель стал более безопасным.
Пары от котла подошли к основанию цилиндра и подняли поршень.
Сколько лошадей?
Понятие лошадиных сил как единицы мощности паровой машины ввел Дж. Ватт. Но первый срок начал применять Т.Севери в 1698 году. В то же время у них был другой подход. Севери оценил мощность своего насоса, исходя из того, что за его работу в день менялось 10 раз, насколько лошади устали. Ватт также учел на данный момент только пару запряженных лошадей. В результате выяснилось, что мощность почти тех же паровозов Севери оценивается в 10 «лошадок», а Уита — всего в две.
Откачка воды из угольной шахты паровой машиной Т. Ньюкумн. Иллюстрация из журнала «Юниверсал».1747
К. Ф. фон Бреда. В горшке Джеймс Ватт. 1792
При впрыске в цилиндр холодной воды пар конденсировался, образовывался вакуум, и поршень опускался под действием атмосферного давления. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и через цепь, соединенную с коромыслом, поднимал шток насоса.
Это был автомобиль newcomna, первый паровой двигатель, которым было принято связывать начало промышленной революции в Англии.Он оказался настолько удачным, что использовался в Европе более 50 лет. Тем не менее, в дизайн были внесены некоторые важные изменения. В частности, в 1718 году англичанин Генри Бейтон изобрел распределительный механизм, который автоматически включал или отключал пар и пропускал воду. Также добавлен паровой котел предохранительным клапаном.
Проект первой в мире паровой машины, способной напрямую приводить в действие любые рабочие механизмы, предложил в 1763 году русский изобретатель Иван Иванович Ползунунов, слесарь Колывано-Воскресенских горных заводов Алтая.Его машина представляла собой двухцилиндровый вакуумный агрегат с поршнями, соединенными цепью, установленными через шкив. Все действия в нем производились автоматически. Вместо опытного образца руководство завода потребовало немедленно построить большую машину для мощного нагнетателя. Двигатель строился почти два года, и до запуска изобретатель не дожил.
Машина успешно прошла испытания и была сдана в эксплуатацию. Спустя три месяца она не только оправдала затраты, но и дала прибыль. Однако через некоторое время котел дал течь, и машину по непонятным причинам угнать не стали.
Примерно в то же время шотландец Джеймс Ватт работал в Англии над созданием паровой машины. Он занимался усовершенствованием двигателя Ньюкумна. Было ясно, что главный недостаток машины Newcomine заключался в попеременном нагреве и охлаждении цилиндра. WATT предположил, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если конденсировать пар в отдельный резервуар через трубопровод клапана. Причем баллон может оставаться горячим, а конденсатор холодным, если снаружи накрыть теплоизоляционным материалом.В 1768 году он получил патент на свое изобретение, но построить автомобиль смог только в 1776 году. Она была вдвое больше, чем машина Newcomine.
Паровая машина ползунова.
И. И. Ползунов.
В 1782 г. была создана первая универсальная паровая машина Ватта двойного действия.
Его крышка была снабжена сальником, который обеспечивал свободное движение штока поршня и одновременно предотвращал утечку пара из цилиндра. Пары подходили к цилиндру с двух сторон поршня поочередно, поэтому поршень выполнял паровой и рабочий, и обратный ход, чего не было в прежних машинах.ВАТТ получил патент на свою «вращающуюся паровую машину», и она стала широко использоваться для привода станков и машин сначала на прядильных и ткацких фабриках, а затем и на других промышленных предприятиях.
Локомотив «Пыхтящий Билли».
Макет паровой машины Дж. Ватта.
Помимо промышленности, паровые машины прочно заняли свое место в сельском хозяйстве и на транспорте. Еще в 1850 году английский изобретатель Уильям Ховард использовал для вспашки малогабаритную передвижную паровую машину.В 1879 году крестьянин Федор Блинов из Саратовской губернии построил и запатентовал первую в мире гусеничную машину с паровой машиной объемом 20 литров. от.
Первый образец автомобиля с паровым двигателем в 1769 году испытал французский изобретатель Николя Хосе Кюно, его творение прославилось как «маленькая паровая тележка Кюно».
Год спустя публике уже была представлена «большая паровая тележка Куно». В 1788 году в США было организовано судоходное сообщение по реке Делавэр между городами Филадельфия и Берлингтон.John Fitch, разработанный Джоном Фитчем, мог взять на борт 30 пассажиров и доставить их со скоростью 7-8 миль в час. А в 1804 году Ричард Тревик продемонстрировал первый самоходный железнодорожный локомотив на паровой раме, построенный на металлургическом заводе Пенидаррен в Мер-Тир-Тисиле (Южный Уэльс).
Несмотря на все усилия инженеров, довольно низкий КПД паровых машин повысить так и не удалось и к концу XIX века. С полной отдачей автомобили послужили, технический прогресс начал постепенно сдавать свои позиции.На автомобильном транспорте они уступили место двигателям внутреннего сгорания, на железной дороге и промышленным электродвигателям. Однако паровые машины (особенно паровые турбины) по-прежнему используются в тепловой энергетике и на некоторых видах транспорта.
Паровая турбина металлургического завода.
Умение использовать энергию пары было известно еще в начале нашей эры. Это подтверждает устройство под названием Героновский эолипил, созданное древнегреческим механиком Героном Александрийским.К древнему изобретению можно отнести паровую турбину, шар которой вращался за счет силы струй водяного пара.
Настроить пар на работу двигателей можно было еще в XVII веке. Подобное изобретение мы использовали довольно долго, однако оно внесло значительный вклад в развитие человечества. К тому же история изобретения паровых машин очень увлекательна.
Концепт
Паровая машина состоит из теплового двигателя внешнего сгорания, который создает из энергии водяного пара механическое движение поршня, а он, в свою очередь, вращает вал.Мощность паровой машины измеряется в ваттах.
ИСТОРИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
История изобретения паровых машин связана со знаниями древнегреческой цивилизации. Долгое время произведения этой эпохи никто не использовал. В XVI веке была предпринята попытка создать паровую турбину.
Над этим работали в Египте. Турецкий физик и инженер Такиюддин Аш-Шами.
Интерес к этой проблеме снова появился в XVII веке. В 1629 году Джованни Бранка предложил свою версию паровой турбины.Однако изобретения теряли большое количество энергии. Дальнейшее развитие потребовало соответствующих экономических условий, которые появятся позже.
Первым изобретателем паровой машины считается Денис Папен. Изобретение представляло собой цилиндр с поршнем, поднимающимся паром и опускающимся в результате его концентрации. По такому же принципу работы имели устройства Сэвинг и Ньюкомайн (1705 г.). Оборудование использовалось для откачивания воды из выработок во время горных работ.
Окончательно усовершенствовать устройство удалось WATTU в 1769 году.
Изобретения Денис Папен
Денис Папа получил образование врача. Родился во Франции, в 1675 году переехал в Англию. Он известен многими своими изобретениями. Одна из них — скороварка, которую называли «Папа котла».
Ему удалось выявить зависимость между двумя явлениями, а именно температурой кипения жидкости (воды) и возникающим давлением. За счет этого он создал герметичный котел, внутри которого повышалось давление, из-за чего позже вода выкипала и температура обработки помещенных в него продуктов повышалась.Таким образом увеличивается скорость приготовления.
В 1674 году изобретатель-медик создал пороховой двигатель. Его работа заключалась в том, что при пожаре пороха в цилиндре поршень сдвигался. В цилиндре образовался слабый вакуум, и атмосферное давление вернуло поршень на место. Полученные газовые элементы выпускались через клапан, а остальные охлаждались.
К 1698 году Paper удалось создать агрегат, работающий не на порохе, а на воде. Таким образом была создана первая паровая машина.Несмотря на значительный прогресс, к которому могла привести эта идея, его изобретатель не принес существенной пользы. Это было связано с тем, что ранее другой механик, Seuters, уже запатентовал паровой насос, а другие применения таких агрегатов к тому времени еще не были изобретены.
Денис Папен умер в Лондоне в 1714 году. Несмотря на то, что первая паровая машина была изобретена ими, он покинул этот мир в нужде и одиночестве.
Из изобретений Томаса Ньюкомена.
Англичанин Ньюкомен был более успешным с точки зрения дивидендов.Когда Папен создал свою машину, Томасу было 35 лет. Он внимательно изучил работы Сэйвера и Папы и смог понять недостатки обеих структур. Из них он взял все лучшие идеи.
Уже к 1712 году в сотрудничестве с мастером очков и водоснабжения Джоном Калли он создал свою первую модель. Так продолжилась история изобретения паровых машин.
Кратко пояснить созданную модель можно так:
- В конструкции совмещены вертикальный цилиндр и поршень, как папа.
- Создание пары происходило в отдельном котле, который работал по принципу машины Savery.
- Герметичность в паровом цилиндре обеспечена за счет обшивки, которой был прикрыт поршень.
Заполнитель Newcomine поднял воду из загона при атмосферном давлении.
Автомобиль отличался солидными размерами и требовал для работы большого количества угля. Несмотря на эти недостатки, модель Newcomine использовалась на рудниках полвека. Она даже разрешила снова открыть шахты, которые были заброшены из-за затопления грунтовых вод.
В 1722 году детище Ньюкомкена доказало свою эффективность, выпустив воду с корабля в Кронштадте всего за две недели. Система с ветряной мельницей могла бы сделать это за год.
В связи с тем, что машина создавалась на основе ранних вариантов, английский механик не смог получить на нее патент. Конструкторы пытались применить изобретение для передвижения автомобиля, но безуспешно. На этом история изобретения паровых машин не прекращалась.
Изобретение Ватта
Первым изобрел оборудование компактных размеров, но достаточно мощное, Джеймс Ватт.Паровая машина была первой в своем роде. Механик из Университета Глазго в 1763 году начал замену паровой установки Ньюкуна. В результате ремонта понял, как снизить расход топлива.
Для этого нужно было держать баллон в постоянно нагретом состоянии. Однако Watt Steam Machine не могла быть готова, пока не решалась проблема конденсации пара.
Решение пришло, когда механик проходил мимо прачечной и заметил, что пары вышли из крышек котлов.Он понял, что пар — это газ, и ему нужно было перемещаться в баллоне пониженного давления.
Достигнув герметичности внутри парового цилиндра С помощью пропитанной маслом куриной веревки WATT смог отказаться от атмосферного давления. Это стало большим шагом вперед.
В 1769 году механик получил патент, согласно которому температура двигателя в паровой машине всегда будет равна температуре пара. Однако дела незадачливого изобретателя сложились не так хорошо, как ожидалось.Его заставили оформить патент на долги.
В 1772 году он знакомится с Мэтью Болтоном, богатым промышленником. Он купил и вернул Ватте свои патенты. Изобретатель вернулся к работе при поддержке Болтона. В 1773 году Паровая машина Ватта прошла испытания и показала, что потребляет угля значительно меньше, чем ее аналоги.
Спустя год его автомобили начались в Англии.
В 1781 году изобретателю удалось запатентовать свое следующее творение — паровую машину, которая использовалась в промышленных машинах.Со временем все эти технологии позволят передвигаться с парой поездов и пароходами. Это полностью перевернет жизнь человека.
Одним из людей, изменивших жизни многих, стал Джеймс Ватт, чья паровая машина ускорила технический прогресс.
Изобретение Поллунова
Проект первой паровой машины, в которой могли быть задействованы самые разные рабочие механизмы, был создан в 1763 году. Разработал его русский механик И.Ползунов, работавший на горных заводах Алтая.
Руководитель заводов ознакомился с проектом и получил от СПб.Петербург. Паровая машина Ползунова получила признание, а работа по ее созданию была возложена на автора проекта. Последний хотел сначала собрать модель в миниатюре, чтобы выявить и устранить возможные недостатки, не видимые на бумаге. Однако ему было приказано приступить к постройке большого мощного автомобиля.
Ползунов предоставил помощников, из которых двое занимались механикой, а двое выполняли коммунальные работы. На создание паровой машины ушло один год и девять месяцев.Когда Паровая машина Ползунова была почти готова, он заболел автомобилем. Создатель умер за несколько дней до первых испытаний.
Все действия в машине проходили автоматически, она могла работать непрерывно. Это было доказано в 1766 году, когда ученики Фазнунова провели последние Испытания. Спустя месяц оборудование было введено в эксплуатацию.
Машина не просто окупала потраченные средства, но и приносила прибыль своим владельцам. К осени котел дал течь, и работы прекратились. Агрегат можно было починить, но заводское руководство это не интересовало.Автомобиль был брошен, а спустя десятилетие разобран.
Принцип работы
Для работы всей системы необходим паровой котел. Образующиеся пары расширяются и давят на поршень, в результате чего движутся механические детали.
Принцип действия лучше изучить с помощью иллюстрации ниже.
Если вы не красите детали, работа паровой машины заключается в преобразовании энергии пара в механическое движение поршня.
КПД
КПД паровой машины определяется отношением полезной работы к количеству тепла, содержащегося в топливе. Не учитывается энергия, которая выделяется в окружающую среду в виде тепла.
КПД паровой машины измеряется в процентах. Практическая эффективность составит 1-8%. При наличии конденсатора и расширения проточной части показатель может увеличиться до 25%.
Преимущества
Основным 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 сегодня, поскольку ядерная энергия может быть использована как аналог пара.
Сам ядерный реактор не может преобразовать свою энергию в механическую работу, но он способен различать большое количество тепла. Он используется для образования пара, который приводит машину в движение. Таким же образом можно использовать солнечную энергию.
Локомоторы, работающие на пару, проявляют себя на большой высоте. Эффективность их работы не страдает от пониженного в горах атмосферного давления. Локомотивы до сих пор используются в горах Латинской Америки.
В Австрии и Швейцарии мы используем новые версии паровозов, работающих на сухой паре. Они показывают высокую эффективность за счет множества улучшений. Они не требуют обслуживания и потребляют в качестве топлива легкие нефтяные фракции. По экономическим показателям они сопоставимы с современными электровозами.При этом тепловозы намного легче своих дизель-электрических собратьев. Это большое преимущество в горных районах.
недостатки
К недостаткам можно отнести, прежде всего, низкий КПД.
Стоит добавить громоздкости конструкции и неторопливости. Особенно это стало заметно после появления ДВС.
Заявка
Кто изобрел паровую машину, уже известно. Осталось узнать, где они использовались.До середины двадцатого века паровые машины использовались в промышленности. Они также использовались для железнодорожных и паровых транспортных средств.
Заводы, эксплуатирующие паровые машины:
- сахар;
- совпадений;
- бумажные фабрики;
- текстиль;
- пищевых предприятия (в отдельных случаях).
Паровые турбины также относятся к этому оборудованию. С их помощью до сих пор работают электрогенераторы. Около 80% мировой электроэнергии вырабатывается с помощью паровых турбин.
В свое время создавались различные виды транспорта, работающие на паровой машине. Некоторые не подошли из-за нерешенных проблем, другие продолжают работать и в наши дни.
Транспорт с паровой машиной:
- легковой автомобиль; трактор
- ; Экскаватор
- ;
- самолет;
- тепловоз; Судно
- ;
- трактор.
Такова история изобретения паровых машин. Вкратце можно рассмотреть удачный образец гоночного автомобиля Cerpolla, созданного в 1902 году.Был установлен мировой рекорд скорости, который составлял 120 км в час на суше. Поэтому паровые машины были конкурентоспособны по сравнению с электрическими и бензиновыми аналогами.
Итак, в США в 1900 году в основном выпускались паровые машины. Они встретились на дорогах тридцатых годов двадцатого века.
По большей части этот автомобиль стал непопулярным после появления двигателя внутреннего сгорания, эффективность которого значительно выше. Такие машины были более экономичными, легкими и скоростными.
Стимпанк как тренд паровых машин
Говоря о паровозах, хочу отметить популярное направление — свидетель. Термин состоит из двух английских слов — «пара» и «протест». Стимпанк — это разновидность научной фантастики, которая повествует о второй половине XIX века в викторианской Англии. Этот период в истории часто называют эпохой пара.
Все работы имеют одну отличительную черту — они повествуют о жизни второй половины XIX века, сюжет повествования одновременно напоминает роман Герберта Уэллса «Машина времени».Сюжеты описывают городские пейзажи, общественные здания, технику. Особое место отводится дирижаблям, старинным машинам, фантастическим изобретениям. Все металлические детали крепились заклепками, так как сварка еще не применялась.
Термин «стимпанк» появился в 1987 году. Его популярность связана с появлением романа «Другая машина», который был написан в 1990 году Уильямом Гибсоном и Брюсом Стерлингом.
В начале XXI века в этом направлении было выпущено несколько известных фильмов:
- «Машина времени»;
- «Лига выдающихся джентльменов»;
- «Ван Хельсинг».
Precelements Steampunk включает в себя произведения Жюля Верна и Григории Адамова. Интерес к этой сфере время от времени проявляется во всех сферах жизни — от кино до повседневной одежды.
Процесс изобретения паровой машины, как это часто бывает в технике, растянулся почти на столетие, поэтому выбор даты для этого события достаточно условен.
Однако никто не отрицает, что прорыв, приведший к технологической революции, совершил шотландец Джеймс Ватт.
Об использовании пары как рабочего тела люди думали еще в древности. Однако только на рубеже XVII-XVIII вв. Мне удалось найти способ производить полезную работу с помощью Steam. Одна из первых попыток поставить пары на службу человеку была предпринята в Англии в 1698 году: машина изобретателя Сайвера предназначалась для осушения шахты и откачки воды. Правда, изобретение Сайвера еще не было двигателем в полном смысле этого слова, поскольку, кроме нескольких клапанов, открывающихся и закрывающихся вручную, у него не было подвижных частей.Машина Savery работала следующим образом: сначала герметичный резервуар наполнялся паромом, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, отчего пар конденсировался, и в резервуаре создавался частичный вакуум. После этого вода — например, со дна шахты — всасывалась в резервуар через заборную трубу и после входа следующей порции пары выбрасывалась наружу.
Первая паровая машина с поршнем была построена французом Дени Папане в 1698 году.Вода нагревается внутри вертикального цилиндра с помощью поршня, и образовавшиеся пары толкают поршень. При охлаждении и конденсации пара поршень падал под действием атмосферного давления. Через блочные блоки паровая машина PAP может приводить в действие различные механизмы, например, насосы.
Более совершенную машину 1712 года построил английский кузнец Томас Ньюкомен. Как и в автомобиле, поршень перемещался в вертикальном цилиндре. Пары от котла попали в основание цилиндра и подняли поршень вверх.При впрыске в цилиндр холодной воды пар конденсировался, в цилиндре образовывался вакуум, и под действием атмосферного давления поршень упал. Это противоположное движение удаляло воду из цилиндра и с помощью цепи, соединенной с коромыслом, двигаясь, как качели, поднимало шток насоса. Когда поршень находился в нижней точке своего хода, пары снова подходили к цилиндру, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса или на коромысле, поршень поднимался в исходное положение.
После этого цикл был повторен.
Newcomine широко использовался в Европе более 50 лет. В 1740-х годах машину с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняла бригада из 25 человек и 10 лошадей, работающая посменно, выполнялась за неделю. Тем не менее его эффективность была крайне низкой.
Наиболее выраженная промышленная революция проявилась в Англии, прежде всего в текстильной промышленности. Непостоянство предложения тканей и быстро растущий спрос привлекли лучшие умы дизайнеров к разработке прядильных и ткацких машин.В историю английской техники навсегда вошли имена Картрайт, Кейя, Кромптон, Харгривс. Но создаваемым ими прядильно-ткацким машинам требовался качественно новый универсальный двигатель, который непрерывно и равномерно (именно этого не могло дать водяное колесо) приводил машины в однонаправленное вращательное движение. Здесь во всем своем блеске проявился талант известного инженера, «волшебника из Гркинока» Джеймса Ватта.
Ватт родился в шотландском греческом городке в семье судостроителя.
Работая студентом в мастерских в Глазго, первые два года Джеймс приобрел квалификацию гравера, мастера по изготовлению математических, геодезических, оптических приборов, различных навигационных инструментов. По мнению совета, дядя профессор Джеймс поступил в местный университет на должность механика. Именно здесь ВАТТ начал работу над паровыми машинами.
Джеймс Ватт попытался усовершенствовать пароатмосферную машину Newcommament, которая в целом подходила только для откачки воды.Ему было ясно, что главный недостаток автомобиля Newcomine заключался в попеременном нагреве и охлаждении цилиндра. В 1765 году компания WATT пришла к мысли, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если конденсировать пар в отдельный резервуар через трубопровод клапана. Вдобавок WATT предприняла еще несколько доработок, наконец превратив паро-атмосферный автомобиль в пар. Например, он изобрел шарнирный механизм — «Параллелограммы Ватта» (названный так потому, что часть звеньев — рычаги, входящие в его состав, образуют параллелограмм), который преобразовывал возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение главного вал.
Теперь ткацкие станки могли работать непрерывно.
В 1776 году автомобиль Watt прошел испытание. Его эффективность оказалась вдвое больше, чем у машины Newcomine. В 1782 году компания WATT создала первую универсальную паровую машину двойного действия. Пары шли к цилиндру попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Поэтому поршень совершал рабочий, а обратный ход с помощью пары, чего не было в прежних машинах. Поскольку в паровозе двойного действия шток поршня выполнял тянущий и толкающий эффект, прежнюю систему привода От цепей и коромысла, которые реагировали только на тягу, пришлось переделать.WATT разработала подключенную систему и применила планетарный механизм. Для преобразования возвратно-поступательного движения штока поршня во вращательное движение использовались тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара. Многократно запатентованная «ротационная паровая машина» широко использовалась сначала на прядильных и ткацких фабриках, а затем и на других промышленных предприятиях.
Двигатель Ватта подходил к любому автомобилю, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самонаклоняющихся механизмов.
Паровая машина Ватта поистине стала изобретением века, положившего начало промышленной революции. Но этим изобретатель не ограничился. Окрестности были удивлены тем, что за ними с удивлением наблюдали, как ВАТТ преследует лошадей на лугу, используя специально подобранную гравитацию. Так появился силовой агрегат — лошадиные силы, получивший впоследствии всеобщее признание.
К сожалению, финансовые трудности вынудили Битт уже в зрелом возрасте проводить геодезические изыскания, работать над строительством каналов, строить порты и пирс, чтобы, наконец, пойти в экономически связанный союз с предпринимателем Джоном Хисом, пострадавшим. скоро полный финансовый крах.
Накопление новых практических знаний в XVI-XVII веках привело к неслыханным взлетам человеческой мысли. Водяные и ветреные колеса вращают машины, двоюродные меховые приводы, помогают металлургам поднимать руду из шахт, то есть там, где руки человека не справляются с тяжелой работой, на помощь приходит энергия воды и ветра.
Основным достижениям техники того времени обязаны не столько ученые и наука, сколько кропотливому труду умелых изобретателей.Особенно велики были достижения в технологии горных работ, в добыче разнообразных руд и полезных ископаемых. Необходимо было поднять добытую руду или уголь из шахты, все время откачивать грунтовые воды лили разработки разработки, постоянно подавая воздух в шахту и требовалось еще много разнообразных трудоемких работ, чтобы не перегореть. быть извлеченным. Таким образом, развивающаяся промышленность требовала все больше и больше энергии, и они могли обеспечивать ее в основных водяных колесах.Их уже научили строить достаточно мощные. В связи с возрастающей мощностью колес стали применять металл для валов и некоторых других деталей. Во Франции на реке Сена в 1682 году под руководством А. Де Вили была построена крупнейшая на то время установка из 13 колес диаметром 8 м под руководством А. Де Вилья, служившая для привода более 200 насосов, перекачивающих воду на высоту более 160 м и обеспечивающих фонтаны в Версале и Марли.
На первых хлопчатобумажных фабриках применялся гидравлический двигатель.Машины блесны Arkrait с самого начала приводились в движение водой. Однако водяные колеса можно было установить только на реке, желательно полные и быстрые. И если текстильная или металлообрабатывающая фабрика все еще могла быть построена на берегу реки, месторождения рудных или угольных пластов нужно было разрабатывать только на местах. И для откачки шахтных грунтовых вод и подъема добытой руды или угля на поверхность также требовалась энергия. Поэтому на шахтах, удаленных от рек, приходилось использовать только животную силу.
Владелец одной английской шахты в 1702 году для включения насосов, выбрасывающих воду из шахты, был вынужден оставить 500 лошадей, что было очень невыгодно.
Развивающейся отрасли требовались мощные двигатели нового типа, позволяющие создавать производство в любом месте. Первым толчком к созданию новых двигателей, способных работать где угодно, независимо от того, есть река или нет, была потребность в насосах и подъемниках в металлургии и горнодобывающей промышленности.
Человеку давно известна способность пара производить механическую работу.Первые следы реального разумного использования пара в механике упоминаются в 1545 году в Испании, когда капитан флота
Бласо де Гарай сконструировал автомобиль, на котором она управляла боковыми гребными колесами корабля, и который по приказу Карла V впервые был испытан в гавани Барселоны во время перевозки 4000 транспортных средств судном на три морских мили за два часа. Изобретатель был вознагражден, но сама машина осталась без использования и была предсказана забвением.
В конце XVII века элементы новой техники, использующие свойства и силу водяного пара, происходят из стран с наиболее развитым мануфактурным производством.
Ранние попытки создать тепловой двигатель были связаны с необходимостью откачивать воду из шахт, где добывалось топливо. В 1698 году британец Томас Севери, бывший министр, а затем капитан торгового флота, впервые предложил качать воду с помощью парового водоподъемника.
Патент, полученный Севери, гласил: «Это новое изобретение по подъему воды и производство движения для всех видов производства с помощью движущей силы огня имеет большое значение для сушки шахт, водоснабжения города и производство движущей силы для заводов всех видов, которые не могут использовать силу воды или постоянную работу ветра.«Sea Waterflifter работал по принципу всасывания воды за счет атмосферного давления в камеру, где был вакуум на конденсации пары холодной воды. Паровозы Severi были крайне неэкономичны и неудобны в эксплуатации, их не могло быть. приспособленные для приведения в действие машин, они потребляли огромное количество томвы. полезное действие Они были не выше 0,3%. Однако потребность в откачке воды из шахт была настолько велика, что даже эти громоздкие паровозы насосного типа получили некоторое распространение. .
Томас Ньюкомен (1663-1729) — английский изобретатель, кузнец по профессии. Вместе с Людиллером Дж. Коули построил паровой насос, эксперименты по усовершенствованию которого продолжались около 10 лет, пока он не начал нормально работать.
Паровоз Newcomine не был универсальным двигателем. Заслуга Ньюкома в том, что он одним из первых реализовал идею использования парочки для получения механической работы. Его имя — Общество историков Великобритании. В 1711 году Ньюкучен, Коули и Севери создали «компанию владельцев прав на изобретение установки для подъема воды с помощью огня.«В то время как эти изобретатели были обладателями патента на« использование силы огня », все их работы по производству паровых машин выполнялись в строжайшей секретности. Швед Тривалд, занимавшийся Сетевыми машинами, писал : «… Изобретатели Ньюкуэна и Калли были очень подозрительны и осторожны, чтобы сохранить тайну конструкции и применения своего изобретения. Испанский вестник английского двора, прибывший из Лондона с большой свитой иностранцев, чтобы посмотреть на новое изобретение, даже не был допущен в комнату, в которой стояли машины.«Но в 20-х годах XVIII века многие инженеры завершили производство установок водоснабжения. Существовала литература, в которой эти установки описывались.
Процесс распространения универсальных паровых машин в Англии к началу XIX века. Подтверждает огромный смысл нового изобретения. Если за десятилетие с 1775 по 1785 год было построено 66 машин двойного действия общей мощностью 1288 л.с., то с 1785 по 1795 год. Уже создано 144 машины двойного действия общей мощностью в 2009 LS, а следующие пять. лет — с 1795 по 1800 гг.- 79 машин общей мощностью 1296 л.с.
Фактически, использование паровой машины в промышленности началось с 1710 года, когда английские рабочие Ньюкун и Калли впервые построили паровую машину, которая заставляла установленный в шахте насос откачивать воду из нее.
Однако машина Newcomine не была паровой машиной в современном понимании этого слова, поскольку движущей силой в ней все же был не водяной пар, а атмосферное давление воздуха. Поэтому эту машину назвали «атмосферной».Хотя машина служила в машине, как и в машине Северный, в основном для создания вакуума в цилиндре, здесь уже предлагался подвижный поршень — основная часть современной паровой машины.
На рис. 4.1 показан пароводяной подъемник Newkänoki. При опускании насосной штанги 1 и груза 2 поршень 4 поднимался в цилиндр 5 через открытый кран 7 из котла 8 поступали пары, давление которых незначительно превышало атмосферное. Пар служил для частичного подъема поршня в цилиндр, открытый сверху, но его основная роль заключалась в создании постоянного.Для этого при выходе поршня машины в верхнее положение кран 7 закрывался, и через траншея закачивалась холодная вода. Водяной пар быстро конденсировался, и атмосферное давление вернуло поршень в нижнюю часть цилиндра, создав подъемный шток насоса. Конденсатная трубка была произведена из цилиндра, поршень снова поднялся за счет подачи пара, и процесс, описанный выше, был повторен. Newcomine Machine — это двигатель периодического действия.
Паровая машина Newcomine была совершенной машиной Севери, более продуманной в эксплуатации, более экономичной и производительной.Однако первые градуированные машины работали очень неэкономично, создавая мощность в одну лошадиную силу.
За час сжигалось до 25 кг каменного угля, то есть КПД составлял около 0,5%. Внедрение автоматического распределения паровых и водяных потоков упростило обслуживание машины, время работы поршня уменьшилось до 12-16 минут, что уменьшило габариты машины и уменьшило конструкцию. Несмотря на большой расход топлива, этот тип автомобилей быстро получил широкое распространение. Уже в двадцатых годах XVIII века эти машины работали не только в Англии, но и во многих странах Европы — в Австрии, Бельгии, Франции, Венгрии, Швеции, почти столетие использовались в угольной промышленности и для водоснабжения городов. город.В России первая пароатмосферная машина Newcomine была установлена в 1772 году в Кронштадте для откачки воды из дока. О распространенности машин Ньюкумн свидетельствует тот факт, что последняя в Англии машина этого типа была разобрана только в 1934 году.
Иван Иванович Ползунунов (1728-1766) — талантливый русский изобретатель, родившийся в семье солдата. В 1742 году слесарь Екатеринбургского завода Никита Бахарева взял в быстрые ученики.
Выбор пал на четырнадцатилетних И. Ползунова и С.Черемисинов, еще учившийся в арифметической школе. Теоретическое обучение. На смену школе пришло практическое знакомство с работой самых современных на тот момент в России автомобилей и установок Екатеринбургского завода. В 1748 году ползунов был переведен в Барнаул для работы на Колывано-Воскресенских заводах. После самостоятельного изучения книг по металлургии и минералогии в апреле 1763 года Ползунову был предложен проект совершенно оригинальной паровой машины, отличавшейся от всех известных в то время машин, которая предназначалась для приведения в действие нагнетателей и представляла собой сплошной агрегат.В своей доходной записке про «огнеглазую машину» от 26 апреля 1763 года ползания, по его собственным словам, хотели «… добавление огненного водного руководства прекратить и он тоже уничтожен вовсе, а вместо плотин для подвижного основания завода необходимо установить его так, чтобы он находился в состоянии все наложенное на себя, что для раздувания пожаров, обычно поступающих на заводы, требуются, носят и по желанию Наши, которые будут нужны исправить ».
А потом он написал:« Для того, чтобы добиться этой славы (если силы позволят) Отечеству добиться и так, чтобы в народе блага, из-за большого знания использования вещей, не очень знакомо ( по примеру других наук), чтобы познакомить.«В дальнейшем изобретатель мечтал подогнать машину под другие нужды. Проект И.И. Ползунова был представлен в царскую канцелярию в Санкт-Петербурге. Решение Екатерины II было таким:« Её Императорское Величество им не токмо ». polzunov, всем приятно быть, но по худшему стимулу соизволили соизволить: пожалуйста, Ева, Ползунова, в Механиках в звании и пожаловаться капитану лейтенанту, и дай ему 400 руб. ».
Машины Newcomma, прекрасно работавшие в качестве устройств водоснабжения, не могли удовлетворить существующую потребность в универсальном двигателе.Они лишь подготовили почву для создания универсальных паровых машин непрерывного действия.
На начальном этапе развития паровых машин необходимо выделить «зажигательную машину» русских мастеров Ползунова.
Двигатель был разработан для приведения в действие механизмов одной из плавильных печей Барнаульского завода.
По проекту Поллунова (рис. 4.2) пар от котла (1) подавался в один, скажем, левый цилиндр (2), где поршень (3) поднимался в крайнее верхнее положение.Затем из бака в цилиндр была впрыснута струя холодной воды (4), что привело к конденсации пара. В результате давления атмосферы на поршень оно снизилось, а в правом цилиндре в результате давление парового поршня повысилось. Распределение водяного насоса в станке Поллунова осуществлялось специальным автоматом (пять). Непрерывная рабочая сила от поршней машины передавалась на шкив (6), вал, от которого движение передавалось на водоочистное устройство, питательный насос, а также на рабочий вал, от которого дуть меха были загнаны.
Поллуновский двигатель трактовали по типу «атмосферный», но в нем изобретатель впервые ввел суммирование работы двух цилиндров с поршнями на один общий вал, что сделало двигатель более однородным.
Когда один из цилиндров работал на холостом ходу, другой работал. Двигатель имел автоматическое распределение пара и не имел прямого отношения к работающей машине. И. Слайдер создал свою машину в крайне сложных условиях, своими руками, не имея средств и специальной техники.В его распоряжении не было умелых мастеров: руководство завода отвечало за слайдер из четырех студентов и выделило двух пенсионеров. Топор и другие нехорошие орудия труда, которые использовались при изготовлении обычных машин, были здесь небольшими. Для своего изобретения слайдеру пришлось самостоятельно спроектировать и сконструировать новое оборудование. Строительство большой машины, высотой около 11 метров, сразу из листа, не испытанной даже на модели, без специалистов, потребовало огромного напряжения сил. Машину построили, но 27 мая 1766 года И.I. Ползунки умерли от автомобиля потребителя, не дожив и недели до испытания «большой машины». Сама машина, испытанная учениками Ползунова, не только платная, но и приносила прибыль, проработала 2 месяца, доработок не получила и после поломки была заброшена и забыта.
После паровоза Ползунова миновала приставку, до этого в России стали применяться паровые машины.
Джеймс Ватт — английский изобретатель, создатель универсальной паровой машины, член Лондонского королевского общества — родился в городе Греческом в Шотландии.С 1757 года он работал механиком в университете Глазго, где познакомился со свойствами водяного пара и провел исследование зависимости температуры насыщенной пары от давления. В 1763-1764 годах, построив модель паровой машины Newcomine, предложили снизить расход пара за счет отделения конденсатора пара от цилиндра. С этого времени начинается его работа по усовершенствованию паровых машин, изучению свойств пара, созданию новых машин и т. Д., который продолжался всю его жизнь. На памятнике Вестату в Вестминстерском аббатстве в Вестминстерском аббатстве была вырезана надпись: «… Приложив творческий гений к усовершенствованию паровой машины, он расширил возможности своей страны, увеличил власть человека над природой и занял выдающееся место.
среди самых известных людей науки и истинных благотворителей человечества ». В поисках средств для постройки своего двигателя компания WATT начала мечтать о прибыльной работе за пределами Англии. В начале 70-х он заявил друзьям, что «устал от Отечества», и всерьез вел разговоры о переезде в Россию.Российское правительство предложило английскому инженеру «Current, по его вкусу и знаниям» с ежегодной жалобой на 1000 фунтов стерлингов. Отъезду Ватта в Россию помешал договор, который он заключил в 1772 году с капиталистом Болтоном, владельцем машиностроительного предприятия в городе Сохо близ Бирмингема. Болтон давно знал об изобретении новой, «зажигательной», машины, но не решался субсидировать ее постройку, сомневаясь в практической ценности машины. Заключить договор с биттом он поспешил только тогда, когда возникла реальная угроза отъезда изобретателя в Россию.Контракт, связывавший Битта с Болтоном, оказался очень эффективным. Болтон показал себя умным и дальновидным человеком. Он не позировал по поводу стоимости постройки автомобиля.
Болтон понял, что гений Ватта, освобожденный от мелкой, изнурительной заботы о куске хлеба, раскроется в полную силу и обогатит предприимчивого капиталиста. К тому же сам Болтон был крупным инженером-механиком. Технические идеи Ватта очаровали его. Завод в Сойо славился первоклассным оборудованием, имелись квалифицированные рабочие места.Поэтому WATT с радостью приняла предложение Болтона наладить на заводе производство паровых машин новой конструкции. С начала 70-х и до конца своей жизни ВАТТ оставался главным механиком завода. На заводе в Сохо в конце 1774 года была построена первая машина двойного действия.
Машина Newcomine была сильно усовершенствована за столетие своего существования, но оставалась «атмосферной» и не отвечала потребностям быстрорастущей техники мануфактурного производства, требовавшей организации вращательного движения с высокой скоростью.
Поиск многих изобретателей был направлен на достижение цели. Только в одной Англии за последнюю четверть 20 века выдано более десятка патентов на универсальные двигатели. разные системы. Однако только Джеймсу Ватту удалось предложить промышленную универсальную пропарочную машину.
Beatt начал свою работу над паровой машиной практически одновременно с ползунком, но в других условиях. В Англии промышленность быстро развивается. WATT активно поддерживал Болтон, владелец нескольких заводов в Англии, ставший впоследствии его товарищем по парламенту, имел возможность использовать высококвалифицированные инженерные кадры.В 1769 году WATT запатентовал паровой двигатель с отдельным конденсатором, а затем использовал избыточный паровой двигатель, что значительно снизило расход топлива. Ватт стал честным создателем паропоршневой машины.
На рис. 4.3 показана схема одной из первых паровых машин Ватта. Паровой котел 1 с поршневым цилиндром 3 соединен паропроводом 2, по которому пар периодически подводится вверх по поршню 4 и в нижнюю под поршень полости цилиндра.Эти полости соединены с трубным конденсатором5, где отработанный пар конденсируется с холодной водой и создается отвод. Машина имеет балансир6, соединяющий шток со штангой с рядом с валом моль, на конце маховика8.
В машине впервые реализован принцип двойного действия пара, заключающийся в том, что свежий пар поступает в цилиндр машины поочередно в камерах с обеих сторон поршня. Введение пары принципа парного расширения заключалось в том, что свежий пар подавался в цилиндр только на части хода поршня, затем пара отсекалась, и дальнейшее движение поршня осуществлялось за счет расширение пара и падение его давления.
Таким образом, в движущей силе машины WATT не было атмосферного давления, и упругость пара увеличивала давление, приводящее к движению поршня. Новый принцип. Работа пары потребовала полного изменения устройства машины, особенно цилиндра и парораспределения. Чтобы исключить конденсацию пара в Цилиндре, ВАТТ сначала ввел паровую рубашку цилиндра, с помощью которой стал нагревать паром его рабочие стенки, причем внешняя сторона паровой рубашки перекрывалась.Поскольку WATT для создания равномерного вращательного движения не мог применять в своей машине качательно-кривошипно-шатунный механизм (на такой перенос был взят французский патентный патент), в 1781 году он получил патент на пять способов преобразования качательного движения в непрерывное. -вращательный. Сначала для этого он применил планетарное, или солнечное, колесо. Наконец, WATT представила центробежный регулятор скорости для изменения количества пара, подаваемого в цилиндр машины, при изменении количества оборотов.Таким образом, ВАТТ в своей паровой машине заложил основные принципы устройства и работы современной паровой машины.
Паровые машины мощностьюВт работали на насыщенной паре низкого давления 0,2-0,3 МПа, с малым числом оборотов в минуту. Измененные таким образом паровые машины дали отличные результаты, в несколько раз снизив потребление угля на л.с. / ч (лошадиных сил в час) по сравнению с машинами Newcomma, и вытеснили гидроэнергетику из горнодобывающей промышленности. В середине 80-х годов XVIII в.Окончательно была разработана конструкция паровой машины, и паровая машина двойного действия стала универсальным тепловым двигателем, получившим широкое распространение практически во всех отраслях многих стран. В XIX веке распространение получили шахтоподъемные парогенераторы, парогенераторы, прокатные насосы, паровые молоты, паровые насосы и т. Д.
Дальнейшее увеличение на тыс. Фунтов в сутки. Установка парохода была осуществлена современником Варата Артуром Вольфом в Англии, путем введения многократного расширения пары последовательно в 2, 3 и даже 4 приема, при этом пары переходили от одного цилиндра машины к другому.
Отказ от балансира и использование многократного расширения пара привели к созданию машин новой конструкции. Двигатели двойного расширения стали выпускаться в виде двух цилиндров высокого давления (CVD) и цилиндра низкого давления (CND), куда отработанные пары поступали вслед за FLO. Цилиндры располагались либо горизонтально (компаундмашин, рис. 4.4, а), либо последовательно, когда оба поршня посажены на общий шток (тандемный станок, рис. 4.4, б).
Имеет большое значение для повышения КПД.В паровых машинах в середине XIX века применялся перегретый пар с температурой до 350 ° C, что позволяло снизить расход топлива до 4,5 кг на л.с. / час. Использование перегретой пары впервые было предложено французским ученым Г.А. Гирн.
Джордж Стефенсон (1781-1848) родился в рабочей семье, работал на угольных мотках Ньюкасла, где работали его отец и дед. Занимался самообразованием, изучал физику, механику и другие науки, интересовался изобретательской деятельностью.Выдающиеся способности Стефенсона привели его к должности механика, и в 1823 году он был назначен главным инженером компании по строительству первой железной дороги общего пользования Стоктон-Дарлингтон; Это открыло ему большие дизайнерские возможности, изобретательский труд.
В России первые паровозы построили русские механики и изобретатели в Черепановых — Ефим Алексеевич (отец, 1774-1842 гг.) И Мирон Ефимович (сын, 1803-1849 гг.), Работавшие на нижнетагильских заводах и бывшие дедуктивные заводчики. Демидова.Черепанова путем самообразования стала образованными людьми, они побывали на заводах Петербурга и Москвы, Англии и Швеции. За изобретательскую деятельность Мирон Черепанов с женой в 1833 году были отданы бесплатно. Ефима Черепанова и его жена были подарены в 1836 году. Черепанов создал около 20 различных паровых машин, работавших на нижнетагильских заводах.
Высокое давление пара для паровых двигателей впервые применил Оливер Эванс в Америке. Это привело к снижению расхода топлива даже на 3 кг на л.с. / час.Позже конструкторы паровозов стали применять многоцилиндровые паровые машины, пар избыточного давления, реверсивное устройство.
В XVIII веке было вполне объяснимое желание использовать паровую машину на наземном и водном транспорте. В развитии паровых машин самостоятельным направлением были локомотивы — передвижные насосные установки. Первую установку такого типа разработал британский строитель Джон Смит. Фактически развитие паровозов началось с установки в зимних котлах дымогарных труб, что значительно повысило их паропроизводительность.
Было предпринято много попыток разработать паровозы — паровозы, были построены существующие модели (рис. 4.5, 4.6). Из них Джордж Стефенсон (1781–1848) построил талантливый английский изобретатель (1781–1848) в 1825 году (см. Рис. 4.6, а, б).
«Ракета» не был первым паровозом, спроектированным и построенным Стивенсоном, но этот по многим показателям превосходил другие и был признан лучшим локомотивом на специальной выставке в Рехилелле и рекомендован для Новой железной дороги Ливерпуль-Манчестер, которая стал образцовым.В 1823 году Стефенсон организовал первую паровую развлекательную фабрику в Ньюкасле. В 1829 г. в Англии был организован конкурс на лучший локомотив, победителем которого была признана машина Дж. Стефенсона. Созданный на базе дымового котла тепловоз «Ракета» массой поезда 17 тонн развивал скорость 21 км / ч. Позже скорость «ракеты» увеличили до 45 км / ч.
Железные дороги начали играть в XVIII веке. Огромная роль. Первая в России пассажирская железная дорога протяженностью 27 км по решению царского правительства была построена иностранными предпринимателями в 1837 году между Санкт-Петербургом.Петербург и Павловский. Петербургская железная дорога Петербург — Москва начала действовать в 1851 г.
В 1834 году Отец и Сын Черепановых построили первый в России паровоз (см. Рис. 4.6, Б, Г), который перевозил груз массой 3,5 тонны со скоростью 15 км / ч. Последующие локомотивы перевозили груз весом 17 тонн.
Попытки использовать паровоз на водном транспорте предпринимались с начала XVIII века. Известно, например, что французский физик Д.Папен (1647-1714) построил лодку с паровым двигателем. Правда, успеха в этом деле не добился.
Задачу решил американский изобретатель Роберт Фултон (1765-1815), родившийся в Литл-Брайт (ныне Фултон) в Пенсильвании. Любопытно отметить, что первые большие успехи в создании паровых машин для промышленности, железнодорожного и водного транспорта выпали талантливые люди, овладевшие знаниями путем самообразования. В этом плане не стал исключением и Фултон. Впоследствии инженер-механик Фултон, происходивший из бедной семьи, сначала много занимался самообразованием.Фултон жила в Англии, где занималась строительством гидротехнических сооружений и решением ряда других технических задач. Находясь во Франции (в Париже), он построил подводную лодку «Наутилус» и пароход, которые испытывали на реке Сена. Но все это было только началом.
Настоящий успех пришел к Фултону в 1807 году: вернувшись в Америку, он построил колесный пароход «Клермонт» грузоподъемностью 15 тонн, приводимый в движение паровой машиной объемом 20 литров. С участием.который в августе 1807 г. совершил первый рейс из Нью-Йорка в Олбани протяженностью около 280 км.
Дальнейшее развитие пароходства, как речного, так и морского, шло довольно быстро. Этому способствовал переход от деревянных конструкций кораблей к стальным, увеличение мощности и скорости паровых машин, внедрение гребного винта и ряд других факторов.
С изобретением паровой машины человек научился приводить в движение энергию, сосредоточенную в топливе.
Паровая машина — одно из немногих в истории изобретений, которое кардинально изменило картину мира, произвело революцию в промышленности, транспорте, дало толчок новому взлету научных знаний. Он был универсальным двигателем и транспортным паровозом на протяжении всего XIX века, но его возможности уже не соответствовали требованиям к двигателям, возникшим в связи со строительством силовых установок и применением механизмов с большой скоростью вращения. В конце XIX века. .
На техническую арену в качестве новой тепловой машины вместо тихоходной паровой машины выходит быстроходная турбина с более высоким КП.
История паровых машин берет начало в 1 веке нашей эры, когда Герон Александриан впервые описал ELIPIL. Более 1500 лет спустя, в 1551 году, османский ученый Такиюддин Аш-Шами описал примитивные турбины, приводящие в движение паром, а в 1629 году подобное открытие сделал Джованни Бранка. Эти устройства представляли собой паровую вертелу для жарки или небольших редукторных станций.В основном такие конструкции использовались изобретателями для демонстрации силы пара и свидетельства того, что ее нельзя недооценивать.
В 1700-х годах «Рудокоп» столкнулся с серьезным испытанием — необходимостью вскрытия воды из глубоких шахт. На помощь пришла сама сила пара. С помощью энергии паре удалось выкатить воду из шахт. Это использование выявило потенциальную силу пара и привело к изобретению паровой машины. Позже появились паровые электростанции. Главный принцип работы паровых машин — «конденсация водяного пара для создания частичного вакуума».«
Томас Севери и первые промышленные двигатели
Томас Севери первым изобрел паровой насос в 1698 году, он предназначался для откачки воды. Это изобретение часто называют «огненным двигателем» или двигателем для «подъема воды с помощью огня». Паровой насос, запатентованный Severi, работал за счет кипячения воды до ее полного превращения в пар. Затем каждая капля пара поднимается в емкость, а в емкости, где изначально была вода, образовывался вакуум. Этот вакуум использовался для откачивания воды из глубинных шахт.Но решение было временным, так как энергии пара хватало только для того, чтобы закатывать воду с глубины нескольких метров. Еще одним недостатком этой конструкции было использование давления пара для удаления воды, попавшей в резервуар. Давление было слишком высоким для котлов, что вызвало ряд сильных взрывов.
Машины низкого давления
Высокий расход угля, свойственный паровым машинам Newcommary, снизился благодаря нововведению Джеймса Ватта. Цилиндр машины низкого давления был снабжен тепловой защитой, отдельным конденсатором и водо-подливным механизмом для конденсата.Таким образом, потребление угля в машинах низкого давления сократилось более чем на 50%.
Иван Цитцунов и первая двухцилиндровая паровая машина
Первую паровую машину изобрел Иван Ползунов изобрел в России. Его двухцилиндровая паровая машина была мощнее английских безмоторных двигателей. Они достигли мощности 24 кВт. Макет двухцилиндровой паровой машины Ползунова выставлен в Барнаульском музее.
Паровая машина Tomas Newcomine
В 1712 году Томас Ньюкухен изобрел паровую машину, очень успешную с практической точки зрения.Его модель состояла из поршня или цилиндра, по которому по огромной деревянной платформе приводился в действие водяной насос. Возврат в машине действовал за счет силы тяжести, которая толкала конец палубы со стороны насоса. Станок Newcomine активно использовался на протяжении 50 лет. Тогда его признали неэффективным, так как на активную работу было много энергии. Пришлось прогреть цилиндр, так как он постоянно охлаждался, в результате чего сжигалось много топлива.
Улучшения Джеймса Ватты
Джеймс Ватт совершил настоящую революцию в истории развития паровых машин, внедрив в оригинальную конструкцию отдельный конденсатор.Он представил это нововведение в 1765 году. Но только 11 лет спустя удалось создать конструкцию, которую можно было использовать в промышленных масштабах. Самой большой проблемой в реализации идей Ватта было создание огромного поршня для поддержания желаемой величины вакуума. Но вскоре технология достигла большого прогресса, и как только патент получил достаточное финансирование, паровой вагон Watt начал активно использоваться на железных дорогах и кораблях. В США с 1897 по 1927 год на паровых двигателях работало более 60 000 автомобилей.
Машины высокого давления
В 1800 году Ричард Тревитик изобрел паровые машины высокого давления. По сравнению со всеми изобретенными ранее конструкциями паровых машин этот вариант был самым мощным. Но по-настоящему удачным оказался дизайн, предложенный Оливером Эвансом. В его основе лежала идея вовлечения двигателя в движение пара, а не его конденсацию для создания вакуума. Эванс изобрел первую паровую машину без конденсации, работающую под высоким давлением, в 1805 году.Машина стояла неподвижно и развивала 30 оборотов в минуту. Эта машина изначально использовалась для привода пилы. Такие машины поддерживались огромными резервуарами с водой, которые сортируют источник тепла, расположенный непосредственно под резервуаром, что позволяло эффективно производить необходимое количество пара.
Вскоре эти паровые машины стали широко использоваться на моторных лодках и на железных дорогах, в 1802 и 1829 годах соответственно. Почти через полвека появились первые паровые машины. Чарльз Алджернон Парсонс в 1880 году изобрел первую паровую турбину.К началу 20 века паровые машины получили широкое распространение в автомобилестроении и судостроении.
Корнуоллские паровые машины
Ричард Треверсик попытался усовершенствовать паровой насос, изобретенный Ваттом. Он был модифицирован для использования в котлах Корнуолла, изобретенных Треверсиком. Эффективность паровой машины Корнуолла была значительно улучшена Уильямом Симсом, Артуром Вольфом и Сэмюэлем Карго. Обновленные паровые машины Корнуолла состояли из изолированных труб, двигателя и котлов для повышения эффективности.
Появление универсальной паровой машины. Паровоз без станков и инструментов Принцип работы паровой машины
Интерес к водяному пару как доступному источнику энергии появился вместе с первыми научными знаниями древних. Люди пытались приручить эту энергию на протяжении трех тысячелетий. Какие основные этапы этого пути? Чьи размышления и проекты научили человечество извлекать из этого максимальную пользу?
Предпосылки появления паровых машин
Потребность в механизмах, которые могут облегчить трудоемкие процессы, существовала всегда.Примерно до середины 18 века для этой цели использовались ветряные мельницы и водяные колеса. Возможность использования энергии ветра напрямую зависит от капризов погоды. А чтобы использовать водяные колеса, надо было строить заводы по берегам рек, что не всегда удобно и целесообразно. И эффективность обоих была крайне низкой. Существенно нужен новый двигатель, легко управляем и лишен этих недостатков.
История изобретения и усовершенствования паровых машин
Создание паровой машины — результат долгих раздумий, успеха и провала надежд многих ученых.
Начало пути
Первые разовые проекты были просто любопытными диковинками. Например, Архимед сконструировал паровую пушку, Герон Александрийский использовал энергию пара, чтобы открывать двери древних храмов. И исследователи находят заметки о практическом использовании энергии пара для активации других механизмов в работах Леонардо да Винчи.
Рассмотрим наиболее значимые проекты по этой теме.
В 16 веке арабский инженер Таги ад-Дин разработал проект примитивной паровой турбины.Однако практического применения он не получил из-за сильного рассеяния струи пара, подаваемой на лопатки рабочего колеса турбины.
Перенесемся в средневековую Францию. Физик и талантливый изобретатель Денис Папин после множества неудачных проектов остановился на следующей конструкции: вертикальный цилиндр был заполнен водой, над которым был установлен поршень.
Цилиндр нагревается, вода вскипает и испаряется. Расширяющийся пар поднял поршень. Он был закреплен в верхней точке подъема, и ожидалось, что цилиндр остынет и пар сконденсируется.После конденсации пара в цилиндре образовывался вакуум. Освободившийся из крепления поршень под действием атмосферного давления устремился в вакуум. Именно это падение поршня предполагалось использовать как рабочий ход.
Итак, полезный ход поршня был вызван образованием вакуума за счет конденсации пара и внешнего (атмосферного) давления.
Потому что паровая машина Папена , как и большинство последующих проектов, получила название паро-атмосферные машины.
У данной конструкции был очень существенный недостаток — не обеспечивалась повторяемость цикла. Денису пришла в голову идея получать пар не в баллоне, а отдельно в паровом котле.
Денис Папин вошел в историю создания паровых машин как изобретатель очень важной детали — парового котла.
А так как стали получать пар снаружи цилиндра, то сам двигатель перешел в разряд двигателей внешнего сгорания.Но из-за отсутствия распределительного механизма, обеспечивающего бесперебойную работу, эти проекты практически не нашли практического применения.
Новая веха в развитии паровых двигателей
Уже около 50 лет он используется для перекачки воды на угольных шахтах. Паровой насос Томаса Ньюкомена. Он во многом повторял предыдущие конструкции, но содержал очень важные нововведения — трубу для отвода конденсированного пара и предохранительный клапан для выпуска избыточного пара.
Его существенный недостаток состоял в том, что цилиндр необходимо было нагревать перед впрыском пара, а затем охлаждать перед конденсацией. Но спрос на такие двигатели был настолько высок, что, несмотря на их очевидную неэффективность, последние экземпляры этих машин прослужили до 1930 года.
В 1765 году английский механик Джеймс Ватт, , взявшись за усовершенствование машины Ньюкомена, отделил конденсатор от парового цилиндра.
Теперь можно держать баллон постоянно нагретым.Сразу повысился КПД машины. В последующие годы Ватт значительно усовершенствовал свою модель, оснастив ее устройством для подачи пара с той или иной стороны.
Стало возможным использовать этот станок не только как насос, но и для привода различных станков. Ватт получил патент на свое изобретение — паровую машину непрерывного действия. Начинается массовое производство этих машин.
К началу 19 века в Англии работало паровые машины мощностью более 320 Вт.Их стали покупать и другие европейские страны. Это способствовало значительному увеличению промышленного производства во многих отраслях как самой Англии, так и соседних стран.
Двадцатью годами ранее, Ватт, в России, алтайский механик Иван Иванович Ползунов работал над проектом паровой машины.
Начальство завода попросило его построить агрегат, который приводил бы в действие вентилятор плавильной печи.
Построенная им машина была двухцилиндровой и обеспечивала непрерывную работу подключенного к ней устройства.
Котел, проработав более полутора месяцев успешно, начал протекать. К этому времени самого Ползунова уже не было в живых. Машину не ремонтировали. И было забыто чудесное творение одинокого русского изобретателя.
Из-за отсталости тогдашней России мир узнал об изобретении И.И. Ползунова с большим опозданием….
Итак, для того, чтобы привести в действие паровой двигатель, необходимо, чтобы пар, вырабатываемый паровым котлом, расширяясь, давил на поршень или на лопатки турбины.А затем их движение было передано другим механическим частям.
Использование паровых машин на транспорте
Несмотря на то, что КПД паровых машин того времени не превышал 5%, к концу 18 века их начали активно использовать в сельском хозяйстве и на транспорте:
- во Франции появляется машина с паровым двигателем;
- в США, пароход начинает курсировать между городами Филадельфия и Берлингтон;
- — паровой железнодорожный локомотив был продемонстрирован в Англии;
- Русский крестьянин из Саратовской губернии запатентовал гусеничный трактор емкостью 20 литров.с участием.;
- Неоднократно предпринимались попытки построить самолет с паровым двигателем, но, к сожалению, малая мощность этих агрегатов при большом весе самолета сделала эти попытки безуспешными.
К концу 19 века паровые машины, сыгравшие свою роль в техническом прогрессе общества, уступают место электродвигателям.
Паровые аппараты в 21 веке
С появлением новых источников энергии в 20-м и 21-м веках снова возникает потребность в использовании энергии пара. Паровые турбины становятся неотъемлемой частью атомных электростанций. Пар, которым они питаются, получают из ядерного топлива.
Эти турбины также широко используются на конденсационных тепловых электростанциях.
В ряде стран проводятся эксперименты по получению пара из солнечной энергии.
Не забыты и поршневые паровые машины. В высокогорье в качестве локомотива до сих пор используются паровозов.
Эти надежные работники и безопаснее, и дешевле. Им не нужны ЛЭП, а топливо — дрова и дешевый уголь всегда под рукой.
Современные технологии позволяют улавливать до 95% выбросов в атмосферу и повысить КПД до 21%, поэтому люди решили пока с ними не расставаться и работают над новым поколением паровозов.
Если это сообщение было для вас полезным, рад вас видеть.
Паровые двигатели использовались в качестве движущей силы на насосных станциях, локомотивах, пароходах, тракторах, паровых машинах и других.Автомобиль О. Паровые двигатели способствовали широкому коммерческому использованию машин на фабриках и обеспечили энергетическую основу промышленной революции 18 века. Позже на смену паровым двигателям пришли двигатели внутреннего сгорания, паровые турбины, электродвигатели и ядерные реакторы, эффективность которых выше.
Паровоз в действии
Изобретение и развитие
Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом веке — так называемая «ванна Герона» или «эолипил».Пар, выходящий по касательной из сопел, прикрепленных к шару, заставлял его вращаться. Предполагается, что преобразование пара в механическое движение было известно в Египте в римский период и использовалось в простых устройствах.
Первые промышленные двигатели
Ни одно из описанных устройств на самом деле не использовалось для решения полезных проблем. Первой паровой машиной, использованной в производстве, была «пожарная машина», разработанная английским военным инженером Томасом Севери в 1698 году.В 1698 году Севери получил патент на свое устройство. Это был поршневой паровой насос и, очевидно, не очень эффективный, так как тепло пара терялось каждый раз во время охлаждения контейнера, и это было довольно опасно в эксплуатации, так как из-за высокой паровые баллоны под давлением и трубопроводы двигателей иногда взрывались. Поскольку это устройство можно было использовать как для вращения колес водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт, изобретатель назвал его «другом шахтера».
Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель», который стал первым паровым двигателем, на который мог быть коммерческий спрос.Это была улучшенная паровая машина Severy, в которой Newcomen значительно снизил рабочее давление пары. Ньюкомен, возможно, был основан на описании экспериментов Папена в Лондонском королевском обществе, доступ к которым у него мог быть через одного из его членов, Роберта Гука, который работал с Папеном.
Схема паровой машины Ньюкомена.
— Пар показан фиолетовым цветом, вода — синим.
— Открытые клапаны показаны зеленым, закрытые клапаны — красным
Первым применением двигателя Ньюкомена было выкачивание воды из глубокого вала.В шахтном насосе коромысел соединялся с тягой, которая уходила в шахту к насосной камере. Возвратно-поступательные движения передавались на поршень насоса, который подавал воду наверх. Клапаны ранних двигателей Ньюкомена открывались и закрывались вручную. Первым улучшением стала автоматизация клапанов, которые приводились в движение самой машиной. Легенда гласит, что это улучшение было сделано в 1713 году мальчиком Хамфри Поттером, которому пришлось открывать и закрывать клапаны; когда ему это надоело, он связал ручки клапанов веревками и пошел играть с детьми.К 1715 году уже была создана рычажная система управления, приводимая в движение механизмом самого двигателя.
Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И.И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для привода нагнетательных мехов на барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.
Хамфри Гейнсборо построил модель паровой машины с конденсатором в 1760-х годах. В 1769 году шотландский механик Джеймс Ватт (возможно, используя идеи Гейнсборо) запатентовал первые значительные усовершенствования вакуумного двигателя Ньюкомена, которые сделали его значительно более экономичным.Вклад Ватта заключался в разделении фазы конденсации вакуумного двигателя в отдельной камере, в то время как поршень и цилиндр находились при температуре пара. Ватт добавил несколько других важных деталей к двигателю Ньюкомена: он поместил поршень внутри цилиндра для выпуска пара и преобразовал возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение ведущего колеса.
На основании этих патентов Ватт построил паровой двигатель в Бирмингеме. К 1782 году паровая машина Ватта была более чем в 3 раза мощнее машины Ньюкомена.Повышение эффективности двигателя Ватта привело к использованию энергии пара в промышленности. Кроме того, в отличие от двигателя Ньюкомена, двигатель Уатта позволял передавать вращательное движение, в то время как в ранних моделях паровых двигателей поршень был соединен с коромыслом, а не напрямую с шатуном. Этот двигатель уже обладал основными характеристиками современных паровых машин.
Дальнейшим повышением эффективности стало использование пара высокого давления (американец Оливер Эванс и англичанин Ричард Тревитик).Р. Тревитик успешно построил промышленные однотактные двигатели высокого давления, известные как «корнуоллские двигатели». Они работали при давлении 50 фунтов на квадратный дюйм или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако по мере увеличения давления возникла также большая опасность взрыва машин и котлов, что поначалу приводило к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, сбрасывающий избыточное давление. Надежная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур строительства, эксплуатации и обслуживания оборудования.
Французский изобретатель Николас-Жозеф Куньо продемонстрировал в 1769 году первую действующую самоходную паровую машину: «fardier à vapeur» (паровая тележка). Пожалуй, его изобретение можно считать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и т. Д. В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, уже выполнял регулярное обслуживание на Река Делавэр между Филадельфией (Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк).Он поднял на борт 30 пассажиров и прошел со скоростью 7-8 миль в час. Пароход Дж. Фитча не имел коммерческого успеха, поскольку ему соперничали хорошие сухопутные маршруты. В 1802 году шотландский инженер Уильям Симингтон построил конкурентоспособный пароход, а в 1807 году американский инженер Роберт Фултон использовал паровой двигатель Ватта для привода первого коммерчески успешного парохода. 21 февраля 1804 года первый самоходный железнодорожный паровоз, построенный Ричардом Тревитиком, был выставлен на сталелитейном заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвилле, Южный Уэльс.
Поршневые паровые двигатели
Поршневые двигатели используют энергию пара для перемещения поршня в герметичной камере или цилиндре. Возвратно-поступательное действие поршня может быть механически преобразовано в поступательное движение поршневых насосов или во вращательное движение для привода вращающихся частей станков или колес транспортных средств.
Вакуумные машины
Первые паровые машины первоначально назывались «пожарными машинами», а «атмосферными» или «конденсационными» двигателями Ватта. Они работают по принципу вакуума и поэтому также известны как «вакуумные двигатели».Такие машины работали для привода поршневых насосов, во всяком случае нет никаких свидетельств того, что они использовались для других целей. При работе паровой машины вакуумного типа в начале цикла пар низкого давления поступает в рабочую камеру или цилиндр. Затем впускной клапан закрывается, и пар охлаждается и конденсируется. В двигателе Newcomen охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр, а конденсат сливается в сборник конденсата. Это создает вакуум в цилиндре.Атмосферное давление в верхней части цилиндра давит на поршень и заставляет его двигаться вниз, то есть рабочий ход.
Постоянное охлаждение и повторный нагрев рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, однако эти паровые машины позволяли перекачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. В том же году появилась версия паровой машины, созданная Ваттом в сотрудничестве с Мэтью Бултоном, главным нововведением которой стало вынесение процесса конденсации в специальную отдельную камеру (конденсатор).Эта камера была помещена в баню с холодной водой и соединена с цилиндром трубкой, перекрытой клапаном. К конденсационной камере подключали специальный небольшой вакуумный насос (прототип конденсатного насоса), приводимый в движение коромыслом и используемый для удаления конденсата из конденсатора. Образовавшаяся горячая вода специальным насосом (прототип питательного насоса) подавалась обратно в котел. Еще одним радикальным нововведением стало закрытие верхнего торца рабочего цилиндра, в верхней части которого теперь находился пар низкого давления.Такой же пар присутствовал в двойной рубашке цилиндра, поддерживая его постоянную температуру. Во время движения поршня вверх этот пар передавался по специальным трубам в нижнюю часть цилиндра, чтобы при следующем такте конденсироваться. Фактически, машина перестала быть «атмосферной», и ее мощность теперь зависела от разницы давлений между паром низкого давления и вакуумом, который он мог получить. В паровой машине Ньюкомена поршень смазывался небольшим количеством воды, налитой на него сверху, в машине Ватта это стало невозможным, так как теперь в верхней части цилиндра был пар, приходилось переходить на смазку с помощью смесь жира и масла.Эта же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.
Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничения их эффективности, были относительно безопасными, в них использовался пар низкого давления, что вполне соответствовало общему низкому уровню котельной техники 18 века. Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размером цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размером конденсатора. Максимальный теоретический КПД ограничивался относительно небольшой разницей температур с обеих сторон поршня; это сделало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими.
Сжатие
Выходное окно цилиндра паровой машины закрывается немного раньше, чем поршень достигает крайнего положения, в результате чего в цилиндре остается некоторое количество отработанного пара. Это означает, что в рабочем цикле присутствует фаза сжатия, которая образует так называемую «паровую подушку», которая замедляет движение поршня в его крайних положениях. Это также устраняет внезапное падение давления в самом начале фазы всасывания, когда свежий пар входит в цилиндр.
Аванс
Описанный эффект «паровой подушки» усиливается еще и тем, что впуск свежего пара в цилиндр начинается несколько раньше, чем поршень достигает своего конечного положения, то есть имеется некоторое опережение впуска. Это продвижение необходимо для того, чтобы до того, как поршень начнет свой рабочий ход под действием свежего пара, пар успел бы заполнить мертвое пространство, возникшее в результате предыдущей фазы, то есть впускные-выпускные каналы и объем цилиндра, который не используется для движения поршня.
Простое расширение
Простое расширение предполагает, что пар работает только тогда, когда он расширяется в цилиндре, а отработанный пар выбрасывается непосредственно в атмосферу или поступает в специальный конденсатор. В этом случае остаточное тепло пара можно использовать, например, для обогрева помещения или автомобиля, а также для подогрева воды, поступающей в котел.
Соединение
В процессе расширения в цилиндре машины высокого давления температура пара падает пропорционально его расширению.Поскольку в этом случае нет теплообмена (адиабатический процесс), получается, что пар входит в цилиндр с более высокой температурой, чем выходит. Такие колебания температуры в цилиндре приводят к снижению эффективности процесса.
Один из методов борьбы с этой разницей температур был предложен в 1804 году английским инженером Артуром Вулфом, который запатентовал паровую машину высокого давления Вульфа … В этой машине высокотемпературный пар из парового котла подавался в цилиндр высокого давления, после чего отработавший в нем пар с более низкой температурой и давлением поступал в цилиндр (или цилиндры) низкого давления.Это уменьшило разницу температур в каждом цилиндре, что в целом снизило потери температуры и повысило общий КПД паровой машины. Пар низкого давления имел больший объем и, следовательно, требовал большего объема цилиндра. Поэтому в составных машинах цилиндры низкого давления имели больший диаметр (а иногда и больше), чем цилиндры высокого давления.
Это также известно как двойное расширение, потому что расширение пара происходит в две стадии. Иногда один цилиндр высокого давления был связан с двумя цилиндрами низкого давления, в результате чего получалось три цилиндра примерно одинакового размера.Такое расположение было легче сбалансировать.
Двухцилиндровые смесительные машины классифицируются как:
- Поперечное соединение — Цилиндры расположены рядом, их паропроводы пересекаются.
- Тандемный состав — Цилиндры включены последовательно и используют один шток.
- Угловой состав — Цилиндры расположены под углом друг к другу, обычно 90 градусов, и работают на одном кривошипе.
После 1880-х годов составные паровые двигатели получили широкое распространение в производстве и на транспорте и стали практически единственным типом, используемым на пароходах.Их использование на паровозах не было столь распространено, так как оказалось слишком сложным, отчасти из-за того, что условия работы паровых машин на железнодорожном транспорте были тяжелыми. Несмотря на то, что составные локомотивы так и не стали массовым явлением (особенно в Великобритании, где они были очень редки и совсем не использовались после 1930-х годов), они приобрели некоторую популярность в нескольких странах.
Множественный добавочный номер
Упрощенная схема паровой машины тройного расширения.
Пар высокого давления (красный) из котла проходит через машину, покидая конденсатор под низким давлением (синий).
Логическим развитием составной схемы стало добавление к ней дополнительных ступеней расширения, что повысило эффективность работы. Результатом стала схема многократного расширения, известная как машины тройного или даже четырехкратного расширения. В этих паровых машинах использовался ряд цилиндров двустороннего действия, объем которых увеличивался с каждой ступенью. Иногда вместо увеличения объема баллонов низкого давления применялось увеличение их количества, как на некоторых составных машинах.
На изображении справа показана работа паровой машины тройного расширения. Пар проходит через машину слева направо. Блок клапанов каждого цилиндра расположен слева от соответствующего цилиндра.
Появление паровых машин этого типа стало особенно актуальным для флота, поскольку требования к габаритам и весу корабельных транспортных средств были не очень строгими, а главное, такая схема позволяла легко использовать конденсатор, возвращающий отработанный пар в форма пресной воды обратно в котел (использовать соленую морскую воду для питания котлов было невозможно).Наземные паровые машины обычно не имели проблем с водоснабжением и, следовательно, могли сбрасывать отработанный пар в атмосферу. Поэтому такая схема была для них менее актуальна, особенно с учетом ее сложности, габаритов и веса. Преобладание паровых двигателей с многократным расширением закончилось только с появлением и широким распространением паровых турбин. Однако в современных паровых турбинах используется тот же принцип разделения потока на цилиндры высокого, среднего и низкого давления.
Машины паровые прямоточные
Прямоточные паровые машины возникли в результате попытки преодолеть один недостаток, присущий паровым машинам с традиционным парораспределением.Дело в том, что пар в обычном паровом двигателе постоянно меняет направление своего движения, поскольку одно и то же окно с каждой стороны цилиндра используется как для входа, так и для выхода пара. Когда отработанный пар выходит из цилиндра, он охлаждает стенки и парораспределительные каналы. Свежий пар, соответственно, тратит определенную часть энергии на их нагрев, что приводит к падению КПД. Прямоточные паровые машины имеют дополнительный порт, который открывается поршнем в конце каждой фазы и через который пар выходит из цилиндра.Это увеличивает эффективность машины, поскольку пар движется в одном направлении, а температурный градиент стенок цилиндра остается более или менее постоянным. Прямоточные машины с одинарным расширением показывают примерно такую же эффективность, что и составные машины с обычным парораспределением. Кроме того, они могут работать на более высоких скоростях, и поэтому до появления паровых турбин они часто использовались для привода электрогенераторов, требующих высокой скорости.
Прямоточные паровые двигатели доступны как одинарного, так и двойного действия.
Паровые турбины
Паровая турбина — это серия вращающихся дисков, установленных на одной оси, называемая ротором турбины, и серия чередующихся неподвижных дисков, закрепленных на основании, называемом статором. Диски ротора имеют на внешней стороне лопатки, на которые подается пар, который вращает диски. Диски статора имеют аналогичные лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара к следующим дискам ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины.Количество и размер ступеней каждой турбины выбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара с той же скоростью и давлением, которые к нему подводятся. Отработанный пар, покидающий турбину, попадает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, поэтому для передачи вращения на другое оборудование обычно используются специальные редукторы. Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных реверсивных механизмов (иногда используются дополнительные ступени реверсивного вращения).
Турбины преобразуют энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов для преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины более компактны, чем поршневые машины, и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины более просты по конструкции, они, как правило, требуют меньшего обслуживания.
Другие типы паровых машин
Приложение
Паровые машины можно классифицировать в соответствии с их применением следующим образом:
Стационарные машины
Паровой молот
Паровоз на старом сахарном заводе, Куба
Стационарные паровые машины можно разделить на два типа по режиму использования:
- Машины с регулируемой скоростью, в том числе прокатные станки, паровые лебедки и т.п., которые должны часто останавливаться и менять направление вращения.
- Силовые машины, которые редко останавливаются и не должны менять направление вращения. К ним относятся силовые двигатели на электростанциях, а также промышленные двигатели, используемые на заводах, фабриках и канатных дорогах до широкого распространения электрической тяги. Двигатели малой мощности используются на морских моделях и в специальных устройствах.
Паровая лебедка — это, по сути, стационарный двигатель, но он установлен на опорной раме и может перемещаться. Его можно закрепить тросом на якорь и собственной тягой перенести на новое место.
Транспортные средства
Паровая машина использовалась для управления транспортными средствами разных типов, в том числе:
- Наземный транспорт:
- Паровоз
- Паровоз
- Экскаватор паровой, а то и
- Паровой самолет.
В России первый действующий паровоз был построен Е. А. и М. Е. Черепановыми на Нижне-Тагильском заводе в 1834 году для перевозки руды. Он развил скорость 13 верст в час и перевез более 200 пудов (3.2 тонны) груза. Длина первой железной дороги составляла 850 м.
Преимущества паровых машин
Главное преимущество паровых машин в том, что они могут использовать практически любой источник тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей. внутреннего сгорания, каждый вид которого требует использования определенного вида топлива. Это преимущество наиболее заметно при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не может генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для генерации пара, который приводит в действие паровые двигатели (обычно паровые турбины).Кроме того, существуют другие источники тепла, которые нельзя использовать в двигателях внутреннего сгорания, например солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии перепада температур Мирового океана на разных глубинах.
Другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга, также имеют аналогичные свойства, которые могут обеспечить очень высокий КПД, но значительно больше по весу и размеру, чем современные типы паровых двигателей.
Паровозы хорошо работают на больших высотах, так как их эффективность не снижается из-за низкого атмосферного давления.Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки, несмотря на то, что в равнинных районах их уже давно заменили более современные типы локомотивов.
В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и Австрии (Schafberg Bahn) новые сухие паровозы доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Швейцарского локомотивно-механического завода (SLM) с множеством современных усовершенствований, таких как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание легких фракций нефти, улучшенные паропроводы и т. Д…. В результате у этих локомотивов на 60% меньше расхода топлива и значительно меньше требований к техническому обслуживанию. По своим экономическим качествам такие локомотивы сопоставимы с современными тепловозами и электровозами.
Кроме того, паровозы значительно легче дизельных и электрических, что особенно важно для горных железных дорог. Особенность паровых машин в том, что им не нужна трансмиссия, передавая мощность прямо на колеса.
КПД
Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя можно определить как отношение полезной механической работы к затраченному количеству тепла, содержащегося в топливе. Остальная энергия выделяется в окружающую среду в виде тепла. КПД теплового двигателя
Процесс изобретения паровой машины, как это часто бывает в технике, растянулся почти на столетие, поэтому выбор даты для этого события довольно условен. Однако никто не отрицает, что прорыв, приведший к технологической революции, совершил шотландец Джеймс Ватт.
Об использовании пара в качестве рабочего тела думали еще в древности. Однако только на рубеже XVII-XVIII вв. удалось найти способ делать полезную работу со Steam. Одна из первых попыток поставить пар на службу человеку была сделана в Англии в 1698 году: машина изобретателя Савери была разработана для осушения шахт и перекачки воды. Правда, изобретение Savery еще не было двигателем в полном смысле этого слова, поскольку кроме нескольких клапанов, которые открывались и закрывались вручную, в нем не было движущихся частей.Машина Савера работала следующим образом: сначала герметичный резервуар заполнялся паром, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, которая конденсировала пар, и в резервуаре создавался частичный вакуум. После этого вода — например, со дна шахты — через всасывающий патрубок засасывалась в резервуар и, после закачки очередной порции пара, выбрасывалась наружу.
Первая паровая машина с поршнем была построена французом Дени Папеном в 1698 году. Вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с помощью поршня, и образовавшийся пар толкал поршень вверх.Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень толкался вниз под действием атмосферного давления. Через систему блоков паровая машина Папена могла приводить в действие различные механизмы, например, насосы.
Более совершенная машина была построена в 1712 году английским кузнецом Томасом Ньюкоменом. Как и в машине Папена, поршень перемещался в вертикальном цилиндре. Пар из котла попадал в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. При нагнетании в цилиндр холодной воды пары конденсировались, в цилиндре образовывался вакуум, и поршень опускался под действием атмосферного давления.Этот реверс удалял воду из цилиндра и с помощью цепи, соединенной с коромыслом, двигаясь, как качели, поднимал шток насоса. Когда поршень находился в самой нижней точке своего хода, пар снова поступал в цилиндр, и с помощью противовеса, прикрепленного к штоку насоса или на коромысле, поршень поднимался в исходное положение. После этого цикл был повторен.
Станок Newcomen широко используется в Европе более 50 лет. В 1740-х годах станок с цилиндром 2.74 м в длину и 76 см в диаметре выполнили работу за один день, а бригаду из 25 человек и 10 лошадей, работающих посменно, выполнили за неделю. И все же его эффективность была крайне низкой.
Наиболее ярко промышленная революция проявилась в Англии, прежде всего в текстильной промышленности. Несоответствие между предложением тканей и быстро растущим спросом привлекло лучшие умы дизайнеров к разработке прядильных и ткацких машин. Имена Картрайта, Кея, Кромптона, Харгривза навсегда вошли в историю английской техники.Но создаваемым ими прядильно-ткацким машинам требовался качественно новый, универсальный двигатель, который непрерывно и равномерно (это то, чего не могло обеспечить водяное колесо) приводил бы машины в однонаправленное вращательное движение. Именно здесь талант известного инженера, «волшебника из Гринока» Джеймса Ватта проявился во всем блеске.
Ватт родился в шотландском городке Гринок в семье судостроителя. Работая подмастерьем в мастерских в Глазго, в первые два года Джеймс приобрел квалификацию гравера, мастера в производстве математических, геодезических, оптических инструментов и различных навигационных инструментов.По совету дяди, профессора, Джеймс поступил в местный университет механиком. Именно здесь Ватт начал работу над паровыми двигателями.
Джеймс Ватт пытался усовершенствовать паро-атмосферный двигатель Ньюкомена, который в целом подходил только для перекачивания воды. Ему было ясно, что главный недостаток машины Ньюкомена — попеременное нагревание и охлаждение цилиндра. В 1765 году Ватт пришел к мысли, что цилиндр может быть постоянно горячим, если пар до конденсации сливается в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном.Кроме того, Ватт внес еще несколько улучшений, которые окончательно превратили паро-атмосферный двигатель в паровой. Например, он изобрел шарнирный механизм — «параллелограмм Ватта» (названный так потому, что некоторые из звеньев — рычагов, составляющих его, образуют параллелограмм), который преобразовывал возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение главного вала. Теперь ткацкие станки могли работать непрерывно.
В 1776 году была испытана машина Ватта. Его эффективность оказалась вдвое выше, чем у машины Ньюкомена.В 1782 году Ватт построил первую универсальную паровую машину двойного действия. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Поэтому поршень совершал с помощью пара как рабочий, так и обратный ход, чего не было в предыдущих машинах. Поскольку шток поршня в паровом двигателе двойного действия тянул и толкал, старую систему цепно-коромысла, которая реагировала только на тягу, пришлось изменить. Ватт разработал систему, связывающую стержни, и использовал планетарный зубчатый механизм для преобразования возвратно-поступательного движения штока поршня во вращательное движение, используя тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара.Запатентованный Ваттом «роторный паровой двигатель» сначала широко использовался на прядильных и ткацких фабриках, а затем и на других промышленных предприятиях. Двигатель Ватта подходил к любой машине, и изобретатели самоходных механизмов не замедлили этим воспользоваться.
Паровая машинаВатта была настоящим изобретением века и началом промышленной революции. Но изобретатель на этом не остановился. Соседи не раз с удивлением наблюдали, как Ватт гнал лошадей по лугу, таща специально подобранные грузы.Так появилась единица мощности — Лошадиная сила, получившая впоследствии всеобщее признание.
К сожалению, финансовые трудности вынудили Ватта уже в зрелом возрасте проводить геодезические изыскания, работать над строительством каналов, строить порты и пристани для яхт и, наконец, пойти на экономически порабощающий союз с предпринимателем Джоном Ребеком, который вскоре потерпел полный финансовый крах.
12 апреля 1933 года Уильям Беслер вылетел с муниципального аэродрома Окленда в Калифорнии на паровом самолете.
В газетах писали:
«Взлет во всех отношениях нормальный, кроме отсутствия шума. Фактически, когда самолет уже оторвался от земли, наблюдателям казалось, что он еще не набрал достаточную скорость. На полной мощности шум был не более заметен, чем когда самолет плыл. Все, что можно было услышать, — это свист воздуха. При работе на полном пару гребной винт издавал лишь небольшой шум. По шуму винта можно было различить звук пламени…
Когда самолет зашел на посадку и пересек границу поля, пропеллер остановился и медленно завелся в обратном направлении с помощью реверсивного переключения и последующего небольшого открытия дроссельной заслонки. Даже при очень медленном обратном вращении винта уменьшение стало заметно круче. Сразу после касания земли пилот дал полный задний ход, который вместе с тормозами быстро остановил машину. Небольшая дальность в этом случае была особенно заметна, так как во время испытаний погода стояла тихая, и обычно дальность приземления достигала нескольких сотен футов.»
В начале 20 века рекорды высоты, достигаемой самолетами, устанавливались почти ежегодно:
Стратосфера сулила значительные преимущества для полета: меньшее сопротивление воздуха, постоянство ветра, отсутствие облачности, скрытность. , и недоступность для ПВО. Но как взлететь на высоту, например, 20 километров?
[Бензин] мощность двигателя падает быстрее плотности воздуха.
На высоте 7000 м мощность двигателя уменьшается почти в три раза.В целях повышения высотных качеств самолетов по окончании империалистической войны в период 1924-1929 гг. Были предприняты попытки использовать наддув. воздуходувки внедряются в производство еще больше. Однако становится все труднее поддерживать мощность двигателя внутреннего сгорания на высоте более 10 км.
Стремясь поднять «предел высоты», конструкторы всех стран все чаще обращают внимание на паровой двигатель, имеющий ряд преимуществ, как высотный.Некоторые страны, например Германия, продвигались по этому пути и из стратегических соображений, а именно из необходимости в случае большой войны добиться независимости от импортной нефти.
В последние годы были предприняты многочисленные попытки установить паровой двигатель на самолет. Стремительный рост авиационной отрасли накануне кризиса и монопольные цены на ее продукцию позволили не торопиться с внедрением опытных работ и накопленных изобретений. Эти попытки, которые приняли особый размах во время экономического кризиса 1929-1933 годов.и последующая депрессия — явление не случайное для капитализма. В прессе, особенно в Америке и Франции, часто высказывались упреки в адрес серьезных опасений по поводу их договоренностей об искусственной задержке внедрения новых изобретений.
Возникли два направления. Один из них представлен в Америке Беслером, который установил на самолет обычный поршневой двигатель, другой связан с использованием турбины в качестве авиационного двигателя и в основном связан с работой немецких конструкторов.
Братья Беслер взяли за основу поршневой паровой двигатель Добла для автомобиля и установили его на биплан Travel-Air [описание их демонстрационного полета дано в начале поста].
Видео этого полета:
Машина оборудована реверсивным механизмом, с помощью которого можно легко и быстро изменять направление вращения вала машины не только в полете, но и при посадке самолета. Двигатель, помимо гребного винта, через соединительную втулку приводит в движение вентилятор, нагнетающий воздух в горелку.Вначале они используют небольшой электродвигатель.
Машина развивала мощность 90 л.с., но в условиях известного форсирования котла ее мощность можно было увеличить до 135 л.с. с участием.
Давление пара в котле 125 ат. Температура пара поддерживалась на уровне около 400-430 °. Для максимальной автоматизации работы котла использовался нормализатор или устройство, с помощью которого вода под известным давлением закачивалась в пароперегреватель, как только температура пара превышала 400 °.Котел снабжен питательным насосом и паровым приводом, а также подогревателями первичной и вторичной питательной воды, обогреваемой отработанным паром.
На самолет были установлены два конденсатора. Более мощный был переработан из радиатора двигателя ОХ-5 и установлен на верхней части фюзеляжа. Менее мощный выполнен из конденсатора паровой машины Добла и расположен под фюзеляжем. Емкость конденсаторов, как заявили в прессе, была недостаточной для работы паровой машины на полном газу без выброса в атмосферу »и примерно соответствовала 90% крейсерской мощности.«Эксперименты показали, что при расходе 152 литров топлива требовалось 38 литров воды.
Полная масса паровой установки самолета составляла 4,5 кг на литр. С. По сравнению с двигателем ОХ-5, работающим на этом самолете. , это дало дополнительный вес в 300 фунтов (136 кг). Нет сомнений в том, что вес всей установки можно было бы значительно уменьшить за счет облегчения деталей двигателя и конденсаторов.
Топливо — газойль. В прессе утверждалось, что «нет». Между включением зажигания и запуском на полной скорости прошло более 5 минут.»
Еще одно направление развития паросиловой установки для авиации связано с использованием паровой турбины в качестве двигателя.
В 1932-1934 гг. Сведения об оригинальной паровой турбине для самолета, спроектированной в Германии на заводе Klinganberg Electric. завод проник в зарубежную прессу, автором которого назван главный инженер этого завода Хютнер
Здесь парогенератор и турбина вместе с конденсатором были объединены в один вращающийся агрегат, имеющий общий корпус.Хютнер отмечает: «Двигатель представляет собой силовую установку, отличительной особенностью которой является тот факт, что вращающийся парогенератор составляет одно конструктивное и рабочее целое с турбиной и конденсатором, вращающимися в противоположном направлении».
Основная часть турбины представляет собой вращающийся котел, образованный серией V-образных трубок, один из колен которых соединен с коллектором питательной воды, а другой — с паросборником. Котел показан на фиг. 143.
Трубки расположены радиально вокруг оси и вращаются со скоростью 3000-5000 об / мин.Попадающая в трубки вода устремляется под действием центробежной силы в левые ветви V-образных трубок, правое колено которых выполняет роль парогенератора. Левое колено труб имеет ребра, которые нагреваются пламенем из сопел. Вода, проходя по этим ребрам, превращается в пар, и под действием центробежных сил, возникающих при вращении котла, давление пара увеличивается. Давление регулируется автоматически. Разница в плотности в обоих ответвлениях трубок (пара и воды) дает переменный перепад уровней, который является функцией центробежной силы и, следовательно, скорости вращения.Схема такого агрегата представлена на рис. 144.
Особенностью конструкции котла является расположение трубок, при котором при вращении в камере сгорания создается разрежение, и, таким образом, котел действует как всасывающий вентилятор. Таким образом, согласно Хютнеру, «вращение котла одновременно определяет его электропитание, движение горячих газов и движение охлаждающей воды».
Запуск турбины занимает всего 30 секунд. Хютнер надеялся достичь КПД котла 88% и КПД турбины 80%.Для запуска турбины и котла необходимы пусковые двигатели.
В 1934 году в прессе мелькнуло сообщение о разработке в Германии проекта большого самолета, оснащенного турбиной с вращающимся котлом. Два года спустя французская пресса заявила, что специальный самолет был построен военным ведомством в Германии в условиях большой секретности. Для него была спроектирована паровая силовая установка системы Hüthner мощностью 2500 литров. с участием. Длина самолета 22 м, размах крыла 32 м, полетная масса (ориентировочная) 14 т, абсолютный потолок самолета 14000 м, скорость полета на высоте 10000 м 420 км / ч, Подъем на высоту 10 км — 30 минут.
Вполне возможно, что эти сообщения прессы сильно преувеличены, но нет никаких сомнений в том, что немецкие конструкторы работают над этой проблемой, и предстоящая война может преподнести здесь неожиданные сюрпризы.
В чем преимущество турбины перед двигателем внутреннего сгорания? №
1. Отсутствие возвратно-поступательного движения на высоких частотах вращения позволяет сделать турбину достаточно компактной и меньшей по размеру, чем современные мощные авиационные двигатели.
2. Важным преимуществом является также относительная бесшумность работы паровой машины, что важно как с точки зрения военных, так и с точки зрения возможности осветления самолета за счет звукоизолирующего оборудования на пассажирский самолет.
3. Паровая турбина, в отличие от двигателей внутреннего сгорания, которые почти не перегружаются, может быть на короткое время перегружена до 100% при постоянной частоте вращения. Это преимущество турбины позволяет сократить разбег самолета и облегчить его подъем в воздух.
4. Простота конструкции и отсутствие большого количества движущихся и рабочих частей также являются важным преимуществом турбины, делая ее более надежной и долговечной по сравнению с двигателями внутреннего сгорания.№
5. Также важно отсутствие на паровой установке магнето, на работу которого могут влиять радиоволны.
6. Возможность использования тяжелого топлива (мазут, мазут), помимо экономических преимуществ, обеспечивает большую пожарную безопасность паровой машины. Кроме того, есть возможность обогревать самолет.
7. Главное преимущество паровой машины в том, что она сохраняет свою номинальную мощность при подъеме на высоту.
Одно из возражений против парового двигателя в основном связано с аэродинамикой и сводится к размеру и охлаждающей способности конденсатора.Действительно, конденсатор пара имеет площадь поверхности в 5-6 раз больше, чем у водяного радиатора двигателя внутреннего сгорания.
Поэтому, стремясь уменьшить лобовое сопротивление такого конденсатора, конструкторы придумали разместить конденсатор непосредственно над поверхностью крыльев в виде сплошного ряда трубок, точно следуя контуру и профилю. крыла. Это не только придает значительную жесткость, но и снижает риск обледенения самолета.
Есть, конечно, целый ряд других технических трудностей при эксплуатации турбины на самолете.
— Поведение сопла на большой высоте неизвестно.
— Для изменения быстрой нагрузки турбины, что является одним из условий работы авиационного двигателя, необходим либо водопровод, либо паросборник.
— Разработка хорошего автоматического устройства для регулирования турбины.
— Гироскопический эффект быстро вращающейся турбины на самолет также неясен.
Тем не менее достигнутые успехи дают повод надеяться, что в ближайшем будущем паросиловая установка найдет свое место в современном воздушном парке, особенно в коммерческих транспортных самолетах, а также в крупных дирижаблях.Самое сложное в этой области уже сделано, и практикующие инженеры смогут добиться окончательного успеха.
На протяжении своей истории паровая машина имела множество вариантов воплощения в металле. Одним из таких воплощений стала роторная паровая машина инженера-механика Н.Н. Тверской. Эта паровая роторная машина (паровая машина) активно использовалась в различных областях техники и транспорта. В русской технической традиции XIX века такой роторный двигатель получил название роторной машины.Двигатель отличался прочностью, экономичностью и большим крутящим моментом. Но с появлением паровых турбин об этом забыли. Ниже представлены архивные материалы, собранные автором этого сайта. Материалы достаточно обширны, поэтому пока здесь представлена лишь часть из них.
Тестовая прокрутка с паровым роторным двигателем на сжатом воздухе (3,5 атм).
Модель рассчитана на мощность 10 кВт при 1500 об / мин при давлении пара 28-30 атм.
В конце XIX века о паровых машинах — «роторных локомотивах Н. Тверского» забыли, так как поршневые паровые машины оказались более простыми и технологичными в производстве (для промышленности того времени), а паровые турбины давали большую мощность. .
Но замечание относительно паровых турбин действительно только в связи с их большой массой и габаритами. Ведь при мощности более 1,5–2 тыс. КВт многоцилиндровые паровые турбины по всем параметрам превосходят роторные паровые машины даже с учетом дороговизны турбин.А в начале ХХ века, когда корабельные электростанции и энергоблоки электростанций стали иметь мощность в несколько десятков тысяч киловатт, тогда только турбины могли предоставить такие возможности.
НО — у паровых турбин есть еще один недостаток. При уменьшении их массогабаритных параметров рабочие характеристики паровых турбин резко ухудшаются. Значительно снижается удельная мощность, снижается КПД, при этом сохраняется дороговизна изготовления и высокие обороты главного вала (необходимость редуктора).Поэтому — в области мощностей менее 1,5 тыс. КВт (1,5 МВт) найти эффективную по всем параметрам паровую турбину даже за большие деньги практически невозможно …
Именно поэтому в этом диапазоне мощностей появилось множество экзотических и малоизвестных разработок. Но чаще они еще и дорогие и малоэффективные … Винтовые турбины, турбины Тесла, осевые турбины и т. Д.
Но почему-то все забыли о паровых «роторных машинах» — роторных паровых машинах.А между тем — эти паровые машины во много раз дешевле любых лопастных и винтовых механизмов (говорю это со знанием дела, как человек, который на свои деньги уже сделал не один десяток таких машин). В то же время паророторные машины Н. Тверского обладают мощным крутящим моментом с самых малых оборотов, имеют среднюю частоту вращения главного вала на полном обороте от 1000 до 3000 об / мин. Те. такие машины, даже для электрогенератора, даже для паровой машины (легковой автомобиль — грузовик, трактор, трактор) — не потребуют коробки передач, сцепления и т. д., но будут напрямую соединяться своим валом с динамо-машиной, колесами паровой машины и т. д.
Итак — в виде роторной паровой машины — система «роторная машина Н. Тверского», у нас есть универсальная паровая машина, которая отлично вырабатывает электроэнергию от твердотопливного котла в глухом лесничестве или таежном поселке, на полевой мельнице или вырабатывает электроэнергию в котельной в сельском поселении или «крутится» на отходах технологического тепла (горячего воздуха) на кирпиче или цементе завод, литейный цех и т. д.
Все такие источники тепла имеют мощность менее 1 МВт, поэтому обычные турбины здесь малопригодны.А других машин для рекуперации тепла путем преобразования давления полученного пара в работу общетехническая практика пока не знает. Так что это тепло никак не утилизируется — просто тупо и безвозвратно теряется.
Я уже создал «паровой роторный агрегат» для привода электрогенератора 3,5 — 5 кВт (в зависимости от давления в паре), если все пойдет по плану, то скоро будет машина на 25 и 40 кВт. Именно то, что вам нужно, чтобы обеспечить дешевую электроэнергию от твердотопливного котла или переработать тепловые отходы в сельскую усадьбу, небольшую ферму, полевой лагерь и т. Д.и т. д.
В принципе, роторные двигатели хорошо масштабируются вверх, поэтому, установив множество секций ротора на один вал, легко увеличить мощность таких машин, просто увеличив количество стандартных модулей ротора. То есть вполне возможно создание роторных паровых машин мощностью 80-160-240-320 и более кВт …
Но, помимо средних и относительно крупных паровых электростанций, паросиловые схемы с небольшими паровыми роторными двигателями будут востребованы на малых электростанциях.
Например, одно из моих изобретений — «Дачный и туристический электрогенератор на местном твердом топливе».
Ниже представлено видео, на котором тестируется упрощенный прототип такого устройства.
Но маленькая паровая машина уже бодро и энергично крутит свой электрогенератор и, используя дрова и другое ископаемое топливо, вырабатывает электричество.
Основным направлением коммерческого и технического применения роторных паровых машин (роторных паровых машин) является производство дешевой электроэнергии из дешевого твердого топлива и горючих отходов.Те. малая энергия — распределенная выработка электроэнергии на паровых роторных двигателях. Представьте, как роторный паровой двигатель отлично впишется в работу лесопильного завода, где-нибудь на Севере России или в Сибири (Дальний Восток), где нет централизованного электроснабжения, электричество дорого поставляется дизель-генератором на импортном дизельном топливе. издалека. Но сама лесопилка в сутки производит не менее полтонны щепы — опилок — плит, которым некуда деваться …
Такие древесные отходы — это прямая дорога к топке котла, котел производит пар высокого давления, пар приводит в движение роторный паровой двигатель и вращает электрогенератор.
Таким же образом вы можете сжигать миллионы тонн сельскохозяйственных отходов в неограниченном объеме. А еще есть дешевый торф, дешевый энергетический уголь и так далее. Автор сайта подсчитал, что стоимость топлива при выработке электроэнергии посредством малой паросиловой установки (паровой машины) с паровым роторным двигателем мощностью 500 кВт составит от 0,8 до 1,
.2 рубля за киловатт.
Еще одно интересное применение роторной паровой машины — установка такой паровой машины на паровоз.Грузовик представляет собой тракторный паровоз с мощным крутящим моментом и дешевым твердым топливом — очень полезный паровой двигатель в сельском и лесном хозяйстве. При использовании современных технологий и материалов, а также использования «Органического цикла Ренкина» в термодинамическом цикле эффективный КПД может быть увеличен до 26-28% с использованием дешевого твердого топлива (или недорогого жидкого топлива, такого как « топочный мазут »или отработанное моторное масло). Те. седельный тягач с паровой машиной
и роторный паровой двигатель мощностью около 100 кВт потребляет около 25-28 кг энергетического угля на 100 км (стоимость 5-6 рублей за кг) или около 40-45 кг древесной щепы (заберите цена на севере зря)…
Есть еще много интересных и перспективных областей применения роторной паровой машины, но размер данной страницы не позволяет подробно рассмотреть их все. В результате паровая машина по-прежнему может занять очень заметное место во многих областях современной техники и во многих секторах национальной экономики.
ПУСК ПАРОВОГО ЭНЕРГОГЕНЕРАТОРА С ПАРОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
Май -2018 После долгих экспериментов и прототипов был изготовлен небольшой котел высокого давления.Котел находится под давлением 80 атм, поэтому без проблем выдержит рабочее давление 40-60 атм. Запущен в эксплуатацию опытный образец парового аксиально-поршневого двигателя моей конструкции. Отлично работает — смотрите видео. За 12-14 минут от возгорания на древесину готово дать пар высокого давления.
Сейчас приступаю к подготовке к серийному производству таких установок — котла высокого давления, паровой машины (роторной или аксиально-поршневой), конденсатора.Агрегаты будут работать по замкнутому контуру с паро-водяным конденсатом.
Спрос на такие генераторы очень высок, потому что 60% территории России не имеют централизованного электроснабжения и работают от дизельной генерации. А цена на дизельное топливо все время растет и уже достигла 41-42 рубля за литр. И даже там, где есть электричество, энергокомпании повышают тарифы, и им требуются большие деньги для подключения новых мощностей.
путь от Томаса Ньюкомена до Джеймса Ватта
В выпуске журнала Lapham’s Quarterly , посвященном зиме 2021 года, писатель Саймон Винчестер отмечает то, что он называет «одним очевидным и неотъемлемым фактом: вода, нагретая до точки кипения, превращается в газообразное состояние, пар, который занимает целый том. полностью в 1700 раз превосходит его жидкое происхождение ».
«Доказанный и неотъемлемый факт», на который ссылается Винчестер, неумолимо приводит к Джеймсу Ватту, шотландскому изобретателю и инженеру-механику, родившемуся в Гриноке, недалеко от Глазго, 18 января 1736 года. В статье на веб-сайте BBC History Ватт описывается как «известный благодаря его усовершенствования в технологии паровых машин ».
Винчестер добавляет: «Таким образом, промышленная революция полностью обязана Ватту: на протяжении почти двух столетий не было бы более оригинального устройства, чем его двигатель и его бесчисленные производные».
Ватт был новатором, который увидел недостатки предыдущих паровых двигателей и внес существенные улучшения. До него было несколько попыток построить эффективную машину. Один, в частности, разработанный в Великобритании Томасом Ньюкоменом в начале 1700-х годов, широко использовался приводными насосами для удаления воды из шахт, что было одной из самых больших промышленных проблем 18 века.
В 1763 году Ватта, работавшего в Университете Глазго в качестве производителя точных инструментов и инструментов, попросили исследовать двигатель Ньюкомена.Это были «крайне неэффективные» машины, расходующие энергию, — говорит Карл Лира, доцент инженерной школы Университета штата Мичиган в США.
К 1765 году Ватт представил свою «революционную разработку», хотя «прошло 11 лет, прежде чем он увидел устройство на практике», — говорит Лира.
Джеймс Ватт. Предоставлено: Кредит: Архив универсальной истории / Автор / Getty ImagesНьюкомен родился в Дартмуте, Великобритания, 28 февраля 1664 года. Его отец был купцом и судовладельцем, а Томас стал кузнецом и слесарем.
В статье 2012 года, опубликованной Американским обществом инженерного образования (ASEE), говорится, что Ньюкомен построил свой первый успешный паровой двигатель в 1712 году, и «его конструкция была построена в больших количествах с 1712 года примерно до 1820-х годов и использовалась примерно до 1930 года». .
ASEE утверждает, что Ньюкомен «был первым, кто разработал работающий паровой двигатель, основанный на принципах и конструкциях инженеров и ученых до него, в частности, устройство парового поршневого цилиндра, продемонстрированное, но так и не введенное в продажу Денисом Папином».Папен был французским изобретателем, родившимся 22 августа 1647 года.
Получайте свежие научные рассказы прямо на свой почтовый ящик.
Работая с Джоном Калли, водопроводчиком и стекольщиком по профессии, Ньюкомен потратил семь лет на разработку исправно работающего двигателя. Он был установлен в 1712 году на угольном заводе Coneygree в Уэст-Мидлендсе, Англия, для откачки воды из шахты.
Двигатель, как сообщает ASEE, «особенно в своей первоначальной форме был крайне неэффективен, но был очень способен перекачивать большие количества воды с недостижимых ранее глубин».Сообщается, что некоторые двигатели Newcomen закачиваются из шахт на глубине более 300 метров под землей.
Один из фундаментальных принципов, используемых при разработке энергии на основе пара, говорит Лира, заключается в том, что «конденсация водяного пара может создавать вакуум».
Он говорит, что машину Ньюкомена «называли« атмосферным »двигателем, потому что максимальное используемое давление пара близко к атмосферному».
ASEE поясняет, что базовая конфигурация двигателя «состояла из трех основных частей: парового поршня и цилиндра, качающейся балки и поршневого водяного насоса.Поршень и цилиндр создавали движущую силу за счет конденсации пара, который создавал вакуум в цилиндре. Атмосферное давление в верхней части поршня затем заставляло поршень двигаться. Коромысло использовалось для передачи мощности от поршня к насосу, который поднимал воду из шахт ».
Марк Челе, профессор Ниагарского колледжа в Онтарио, Канада, который пишет об истории технологий, описывает одну из более поздних машин Ньюкомена как имеющую «выходную мощность примерно 14».9 кВт (2 л. ). »
Когда Ватт исследовал двигатель Ньюкомена, по словам Лира, он «осознал, сколько энергии требуется» для его работы. «Паровой цилиндр неоднократно нагревался и охлаждался, что приводило к потере энергии на повторный нагрев стали, а также вызывало большие термические напряжения».
По словам Лира, ключевой разработкойWatt было добавление в двигатель отдельного конденсатора.«Двигатель Ватта, как и двигатель Ньюкомена, работал по принципу разницы давлений, создаваемой вакуумом на одной стороне поршня, который толкал паровой поршень вниз. Однако паровой цилиндр Ватта все время оставался горячим. Клапаны позволяли пару течь в отдельный конденсатор, а затем конденсат откачивали вместе с любыми газами с помощью воздушного насоса.
«Двигатель Newcomen был лучшей технологией за 60 лет! Некоторые двигатели Newcomen использовались намного дольше, хотя они значительно уступали последующим двигателям Watt.”
Ньюкомен умер 5 августа 1729 года в Лондоне. Полномасштабная копия его двигателя 1712 года выставлена в Живом музее Черной страны, недалеко от Бирмингема, в Великобритании.
Паровой двигатель — Энциклопедия Нового Мира
- «Сила пара» перенаправляется сюда.
Паровая машина — это тепловая машина, которая выполняет механическую работу, используя пар в качестве рабочей жидкости. [1]
Паровые двигатели имеют долгую историю, насчитывающую почти две тысячи лет. Ранние устройства не были практическими производителями энергии, но более совершенные конструкции стали основным источником механической энергии во время промышленной революции. Современные паровые турбины вырабатывают около половины электроэнергии в мире.
Многие паровые двигатели являются двигателями внешнего сгорания, [2] , хотя часто используются другие источники тепла, такие как солнечная энергия, ядерная энергия или геотермальная энергия.Тепловой цикл известен как цикл Ренкина.
В общем случае термин «паровой двигатель» может относиться к интегрированным паровым установкам, таким как железнодорожные паровозы и переносные двигатели, или может относиться только к двигателю, как в балочном двигателе и стационарном паровом двигателе. Специализированные устройства, такие как паровые молоты и паровые сваебойные машины, зависят от пара, подаваемого от отдельного, часто удаленного котла.
«Сохранившийся» (но неполный) переносной двигатель, Тентерфилд, Новый Южный Уэльс — пример мобильной паровой машины.Двигатель внешнего сгорания
Паровые двигатели классифицируются как двигатели внешнего сгорания.В двигателе внешнего сгорания тепло подводится к рабочему телу энергетического цикла от внешнего источника. Двигатель внешнего сгорания позволяет сжигать практически любое топливо в качестве источника тепла для двигателя. Это объясняет успех этого двигателя, потому что можно использовать менее дорогое и / или более возобновляемые или устойчивые источники топлива или тепла, потому что рабочая жидкость остается отделенной от топлива, и, следовательно, более чистый, , что приводит к меньшему техническому обслуживанию и более продолжительному двигателю. жизнь.
В этом отличие от обычно более известной формы теплового двигателя (известного как двигатель внутреннего сгорания), в котором рабочим телом энергетического цикла являются газообразные продукты процесса сгорания, а тепло добавляется к циклу за счет сгорания. топлива внутри машины. Типичными бензиновыми / бензиновыми и дизельными двигателями являются двигатели внутреннего сгорания.
Приложения
С начала восемнадцатого века паровая энергия находит множество практических применений.Сначала это применялось для поршневых насосов, но с 1780-х годов начали появляться роторные двигатели (то есть те, которые преобразовывали возвратно-поступательное движение во вращательное движение), приводящие в движение заводское оборудование. На рубеже девятнадцатого века паровой транспорт как на море, так и на суше начал появляться, становясь все более преобладающим в течение века.
Можно сказать, что паровые двигатели были движущей силой промышленной революции и широко использовались в коммерческих целях на заводах и заводах, приводя в действие насосные станции и транспортные средства, такие как железнодорожные локомотивы, корабли и дорожные транспортные средства.Их использование в сельском хозяйстве привело к увеличению земель, пригодных для возделывания.
Двигатели очень малой мощности используются для питания моделей и специальных устройств, таких как паровые часы.
Наличие нескольких фаз между источником тепла и подачей энергии означало, что всегда было трудно получить отношение мощности к весу, близкое к тому, которое можно получить от двигателей внутреннего сгорания; особенно это сделало паровые самолеты крайне редкими. Подобные соображения означают, что для малых и средних применений пар был в значительной степени вытеснен двигателями внутреннего сгорания или электродвигателями, что сделало паровой двигатель устаревшим.Однако важно помнить, что электроэнергия, поставляемая в электрическую сеть, в основном вырабатывается с помощью паротурбинной установки, так что косвенно мировая промышленность по-прежнему зависит от энергии пара. Недавние опасения по поводу источников топлива и загрязнения вызвали возобновление интереса к пару как к компоненту когенерационных процессов, так и к первичному двигателю. Это стало известно как движение Advanced Steam.
Паровые двигатели можно классифицировать по их применению.
Стационарные приложения
Стационарные паровые двигатели можно разделить на два основных типа:
- Двигатели для намотки, двигатели прокатных станов, паровые ослы, судовые двигатели и аналогичные устройства, которые нуждаются в частой остановке и реверсе.
- Двигатели, обеспечивающие мощность, которые редко останавливаются и не нуждаются в реверсе. К ним относятся двигатели, используемые на тепловых электростанциях, а также двигатели, которые использовались на насосных станциях, заводах, заводах, а также для питания кабельных железных дорог и канатных трамваев до широкого использования электроэнергии.
Паровой осел технически является стационарным двигателем, но устанавливается на салазках, чтобы быть полупереносным. Он предназначен для ведения журнала и может перетаскивать себя в новое место. Закрепив трос лебедки на прочном дереве в желаемом пункте назначения, машина будет двигаться к точке крепления по мере того, как трос затягивается лебедкой.
Переносной двигатель — это стационарный двигатель, установленный на колесах, так что его можно буксировать на место работы лошадьми или тяговым двигателем, а не фиксировать в одном месте.
Транспортные приложения
Паровые двигатели используются для питания широкого спектра транспортных средств:
- Морской: пароход, пароход
- Рельс: Паровоз, Беспожарный локомотив
- Сельское хозяйство: тяговый двигатель, паровой трактор
- Дорога: паровоз, паровой автобус, паровой трехколесный велосипед, паровоз
- Конструкция: паровой каток, паровая лопата
- Военные: Паровой танк (гусеничный), Паровой танк (колесный)
- Космос: Паровая ракета
Во многих мобильных приложениях чаще используются двигатели внутреннего сгорания из-за их более высокого отношения мощности к массе, паровые двигатели используются, когда требуется более высокий КПД и вес не является проблемой.
История
История паровой машины восходит к первому веку нашей эры; первым зарегистрированным рудиментарным паровым двигателем был эолипил, описанный героем Александрии. В последующие столетия несколько известных двигателей были по существу экспериментальными устройствами, использовавшимися изобретателями для демонстрации свойств пара, такими как элементарная паротурбинная установка, описанная Таки ад-Дином [3] в 1551 году и Джованни Бранка [ 4] в 1629 году.
Первым практичным паровым «двигателем» был водяной насос, разработанный в 1698 году Томасом Савери. Оказалось, что высота подъема у него ограничена, и он был подвержен взрывам котлов, но все же нашел применение в шахтах и на насосных станциях.
Первый коммерчески успешный двигатель появился только в 1712 году. Использование технологий, открытых Савери и Денис Папен, атмосферный двигатель, изобретенный Томасом Ньюкоменом, проложил путь промышленной революции. Двигатель Ньюкомена был относительно неэффективным и в большинстве случаев использовался только для перекачивания воды.Он в основном использовался для осушения горных выработок на глубинах, которые до этого были невозможны, но также для обеспечения многоразового водоснабжения для привода водяных колес на заводах, расположенных вдали от подходящей «головы».
Ранний качающий двигатель Ватта.Следующий важный шаг произошел, когда Джеймс Ватт разработал улучшенную версию двигателя Ньюкомена. Двигатель Уатта потреблял на 75 процентов меньше угля, чем двигатель Ньюкомена, и, следовательно, был намного дешевле в эксплуатации. Ватт продолжил разработку своего двигателя, модифицируя его, чтобы обеспечить вращательное движение, подходящее для привода заводского оборудования.Это позволило расположить фабрики вдали от рек и еще больше ускорило темпы промышленной революции.
Примерно в 1800 году Ричард Тревитик представил двигатели, использующие пар высокого давления. Они были намного более мощными, чем предыдущие двигатели, и их можно было сделать достаточно маленькими для использования на транспорте. После этого технологические разработки и усовершенствования технологий производства (частично вызванные принятием парового двигателя в качестве источника энергии) привели к разработке более эффективных двигателей, которые могли быть меньше, быстрее или мощнее, в зависимости от предполагаемого применения.
Паровые двигатели оставались доминирующим источником энергии даже в двадцатом веке, когда успехи в конструкции электродвигателей и двигателей внутреннего сгорания постепенно привели к тому, что подавляющее большинство поршневых паровых двигателей было заменено в коммерческих целях, и преобладание паровых турбин в электроэнергетике.
Основная работа простого поршневого парового двигателя
- Тепло получается от топлива, сжигаемого в закрытой топке
- В бойлере, работающем под давлением, тепло передается воде, в результате вода кипятится и превращается в насыщенный пар.Пар в своем насыщенном состоянии всегда образуется при температуре кипящей воды, которая, в свою очередь, зависит от давления пара на поверхности воды внутри котла.
- Пар передается в моторный блок, который использует его для прижатия поршней к силовому оборудованию
- Отработанный более холодный пар более низкого давления выбрасывается в атмосферу
Компоненты паровых двигателей
Паровая машина состоит из двух основных компонентов: котла или парогенератора и моторного агрегата, который часто называют «паровой машиной».«Два компонента могут быть объединены в единый блок или могут быть размещены на расстоянии друг от друга в различных конфигурациях.
Часто присутствуют другие компоненты; насосы (например, инжектор) для подачи воды в котел во время работы, конденсаторы для рециркуляции воды и рекуперации скрытой теплоты парообразования и перегреватели для повышения температуры пара выше его точки насыщенного пара, а также различные механизмы для увеличения тяга для топок. Когда используется уголь, может быть включен цепной или винтовой механизм загрузки и его приводной двигатель или двигатель для перемещения топлива из бункера подачи (бункера) в топку.
Источник тепла
Тепло, необходимое для кипячения воды и подачи пара, может быть получено из различных источников, чаще всего от сжигания горючих материалов с соответствующей подачей воздуха в замкнутом пространстве (называемом по-разному камера сгорания, топка). В некоторых случаях источником тепла является ядерный реактор или геотермальная энергия.
Холодная мойка
Как и во всех тепловых двигателях, значительное количество отработанного тепла производится при относительно низкой температуре.Это необходимо утилизировать.
Самая простая мойка — это просто выпустить пар в окружающую среду. Это часто используется на паровозах, но довольно неэффективно. Для повышения эффективности можно использовать конденсаторный аппарат паровоза.
Паровые турбины на электростанциях часто используют градирни, которые, по сути, являются одной из форм конденсатора.
Иногда «отходящее тепло» полезно само по себе, и в этих случаях может быть получен очень высокий общий КПД; например, комбинированное производство тепла и электроэнергии использует отходящее тепло для централизованного теплоснабжения.
Котлы
Котлы — это сосуды под давлением, которые содержат воду для кипячения и какой-то механизм для передачи тепла воде для ее кипячения.
Два наиболее распространенных метода передачи тепла воде:
- Водотрубный котел — вода находится в одной или нескольких трубах или проходит через них, окруженных горячими газами.
- Пожарный котел — вода частично заполняет сосуд, ниже или внутри которого находится камера сгорания или топка и дымовые трубы, через которые протекают горячие газы.
После превращения в пар некоторые котлы используют перегрев для дальнейшего повышения температуры пара. .Это позволяет повысить эффективность.
Моторные агрегаты
Электродвигатель принимает пар с высоким давлением и температурой и выдает пар с более низким давлением и температурой, используя как можно большую разницу в энергии пара для выполнения механической работы.
Моторный агрегат сам по себе часто называют «паровой машиной». Они также будут работать на сжатом воздухе или другом газе.
Простое расширение
Это означает, что заряд пара проходит в цилиндре только один раз.Затем оно выбрасывается непосредственно в атмосферу или в конденсатор, но оставшееся тепло может быть рекуперировано, если необходимо, для обогрева жилого помещения или для обеспечения теплой питательной воды для котла.
Стационарный двигатель двойного действия Схематическая диаграмма индикатора, показывающая четыре события в двойном ходе поршняВ большинстве поршневых двигателей с возвратно-поступательным движением пар меняет направление потока на обратное при каждом такте (противоток), входя и выходя из цилиндра через одно и то же отверстие. Полный цикл двигателя занимает один оборот кривошипа и два хода поршня; цикл также включает четыре события — впуск, расширение, выпуск, сжатие .Эти события контролируются клапанами, часто работающими внутри парового резервуара , примыкающего к цилиндру; клапаны распределяют пар, открывая и закрывая паровые порты , , сообщающиеся с концом (ами) цилиндра, и приводятся в действие с помощью клапанного механизма, которого существует много типов. Простейшие клапанные шестерни дают события фиксированной длины в течение цикла двигателя и часто заставляют двигатель вращаться только в одном направлении. Однако у большинства из них есть реверсивный механизм, который дополнительно может обеспечивать средства для экономии пара, поскольку скорость и количество движения достигаются за счет постепенного «сокращения отсечки» или, скорее, сокращения события допуска; это, в свою очередь, пропорционально удлиняет период расширения.Однако, поскольку один и тот же клапан обычно управляет обоими потоками пара, короткое отключение при впуске отрицательно влияет на периоды выпуска и сжатия, которые в идеале всегда должны поддерживаться достаточно постоянными; если выхлоп слишком короток, весь выхлопной пар не может эвакуировать цилиндр, блокируя его и давая чрезмерное сжатие («отдача») .
В 1840-х и 50-х годах были попытки решить эту проблему с помощью различных запатентованных клапанных механизмов с отдельными регулируемыми отсечными клапанами, установленными на задней части главного золотникового клапана; последние обычно имели фиксированную или ограниченную отсечку.Комбинированная установка давала хорошее приближение к идеальным событиям за счет повышенного трения и износа, а механизм имел тенденцию быть сложным. Обычное компромиссное решение заключалось в том, чтобы обеспечить нахлест за счет удлинения трущихся поверхностей клапана таким образом, чтобы он перекрывал отверстие на стороне впуска, в результате чего выпускная сторона оставалась открытой в течение более длительного периода после отключения. сторона допуска произошла. Этот прием с тех пор считается удовлетворительным для большинства целей и позволяет использовать более простые движения Стивенсона, Джоя и Уолшартса.Corliss, а позже и шестерни тарельчатого клапана имели отдельные впускные и выпускные клапаны, приводимые в действие механизмами отключения или кулачками, профилированные таким образом, чтобы обеспечивать идеальные условия; большинство этих механизмов никогда не пользовались успехом за пределами стационарного рынка из-за различных других проблем, включая утечки и более хрупкие механизмы. [5] [6]
- Компрессия
Перед тем, как фаза выпуска отработана полностью, выпускная сторона клапана закрывается, перекрывая часть отработанного пара внутри цилиндра.Это определяет фазу сжатия, когда образуется паровая подушка, против которой работает поршень, в то время как его скорость быстро уменьшается; кроме того, он предотвращает скачок давления и температуры, который в противном случае был бы вызван внезапным впуском пара высокого давления в начале следующего цикла.
- Свинец
Вышеуказанные эффекты дополнительно усиливаются за счет подачи свинца: Как позже было обнаружено с двигателем внутреннего сгорания, с конца 1830-х годов было обнаружено преимущество продвигать фазу впуска, давая клапану свинец Д.) . [7]
Компаундирование двигателей
Когда пар расширяется в двигателе высокого давления, его температура падает; Поскольку система не выделяет тепло, это называется адиабатическим расширением и приводит к тому, что пар входит в цилиндр при высокой температуре и выходит при низкой температуре. Это вызывает цикл нагрева и охлаждения цилиндра с каждым ходом, что является источником неэффективности.
Способ уменьшения величины этого нагрева и охлаждения был изобретен в 1804 году британским инженером Артуром Вульфом, который запатентовал свой составной двигатель высокого давления Woolf в 1805 году.В составном двигателе пар высокого давления из котла расширяется в цилиндре высокого давления (HP), а затем поступает в один или несколько последующих цилиндров низкого давления (LP). Теперь полное расширение пара происходит через несколько цилиндров, и, поскольку теперь в каждом цилиндре происходит меньшее расширение, пар в каждом из них теряет меньше тепла. Это снижает степень нагрева и охлаждения цилиндра, повышая эффективность двигателя. Чтобы получить равную работу от пара более низкого давления, требуется больший объем цилиндра, поскольку этот пар занимает больший объем.Следовательно, диаметр цилиндра, а часто и ход поршня увеличиваются в цилиндрах низкого давления, что приводит к увеличению диаметра цилиндров.
Двигатели двойного расширения (обычно известные как состав ) расширяют пар в два этапа. Пары могут дублироваться, или работа большого цилиндра низкого давления может быть разделена с выходом одного цилиндра высокого давления на один или другой, что дает трехцилиндровую компоновку, в которой диаметр цилиндра и поршня примерно одинаков, что облегчает балансировку возвратно-поступательных масс.
Двухцилиндровые соединения могут быть скомпонованы как:
- Поперечные соединения —Цилиндры расположены бок о бок
- Тандемные соединения —Цилиндры расположены встык, приводя в движение общий шатун
- Угловые соединения —Цилиндры расположены в форме клина (обычно под углом 90 °) и приводят в движение общий кривошип
В двухцилиндровых соединениях, используемых в железнодорожных работах, поршни соединяются с кривошипами, как с двумя -цилиндры простые на 90 ° не совпадающие по фазе друг с другом (четвертные) .Когда группа двойного расширения дублируется, образуя 4-цилиндровый компаунд, отдельные поршни в группе обычно уравновешиваются на 180 °, а группы устанавливаются на 90 ° друг к другу. В одном случае (первый тип смеси Vauclain) поршни работали в одной фазе, приводя в движение общую крейцкопф и кривошип, снова установленный под углом 90 °, как для двухцилиндрового двигателя. При трехцилиндровом составном устройстве кривошипы LP были либо установлены на 90 °, а один HP — на 135 ° по отношению к двум другим, либо в некоторых случаях все три кривошипа были установлены на 120 °.
Применение компаундирования было обычным для промышленных установок, для дорожных двигателей и почти универсальным для судовых двигателей после 1880 г .; он не был широко популярен в железнодорожных локомотивах, где его часто считали сложным. Частично это связано с суровыми условиями эксплуатации железных дорог и ограниченным пространством, предоставляемым габаритами погрузки (особенно в Великобритании, где сложное соединение никогда не было обычным явлением и не применялось после 1930 года). Однако, хотя и никогда не в большинстве, он был популярен во многих других странах. [5]
Несколько двигателей расширения
Анимация упрощенного движка тройного расширения.Пар высокого давления (красный) входит из котла и проходит через двигатель, выходя в виде пара низкого давления (синий) в конденсатор. Модель двигателя тройного расширения
Это логическое продолжение составного двигателя (описанного выше) для разделения расширения на еще большее количество этапов для повышения эффективности. В результате появился механизм множественного расширения . Такие двигатели используют либо три, либо четыре ступени расширения и известны как тройные и четверные двигатели расширения соответственно.В этих двигателях используется серия цилиндров двустороннего действия с постепенно увеличивающимся диаметром и / или ходом и, следовательно, объемом. Эти цилиндры предназначены для разделения работы на три или четыре, в зависимости от ситуации, равные части для каждой ступени расширения. Как и в случае с двигателем двойного расширения, где пространство ограничено, два цилиндра меньшего размера с большим суммарным объемом могут использоваться для ступени низкого давления. В двигателях с множественным расширением цилиндры обычно располагались на одной линии, но использовались и другие конструкции.В конце девятнадцатого века балансировочная «система» Ярроу-Шлика-Твиди использовалась на некоторых морских двигателях тройного расширения. Двигатели Y-S-T разделили ступени расширения низкого давления между двумя цилиндрами, по одному на каждом конце двигателя. Это позволило лучше сбалансировать коленчатый вал, что привело к более плавной работе двигателя с более быстрым откликом и меньшей вибрацией. Это сделало 4-цилиндровый двигатель тройного расширения популярным среди больших пассажирских лайнеров (например, олимпийского класса), но в конечном итоге был заменен турбиной практически без вибрации (см. Ниже).
На изображении справа показана анимация механизма тройного расширения. Пар проходит через двигатель слева направо. Блок клапанов для каждого из цилиндров находится слева от соответствующего цилиндра.
Разработка этого типа двигателя была важна для его использования на пароходах, так как при выпуске в конденсатор воду можно использовать для подпитки котла, который не может использовать морскую воду. Наземные паровые двигатели могли выпускать большую часть пара, так как питательная вода обычно была легко доступна.До и во время Второй мировой войны расширительный двигатель доминировал в морских приложениях, где высокая скорость судна не имела значения. Однако на смену ей пришли англичане изобрели паровую турбину там, где требовалась скорость, например, на военных кораблях, таких как линкоры до дредноута, и океанские лайнеры. HMS Dreadnought 1905 года был первым крупным военным кораблем, который заменил проверенную технологию поршневого двигателя новой паровой турбиной.
Однопоточный (или непроточный) двигатель
Схематическое изображение прямоточного парового двигателя.Тарельчатые клапаны управляются вращающимся распределительным валом вверху. Пар высокого давления входит, красный, а выходит, желтый.
Это предназначено для устранения трудностей, возникающих из-за обычного противоточного цикла, упомянутого выше, что означает, что при каждом такте отверстие и стенки цилиндра будут охлаждаться проходящим выхлопным паром, в то время как более горячий входящий пар будет тратить часть своей энергии на восстановление рабочей температуры. Целью прямого потока является устранение этого дефекта путем создания дополнительного отверстия, не закрытого поршнем в конце его полувхода, заставляя пар течь только в одном направлении.Таким образом повышается термический КПД за счет постоянного температурного градиента вдоль отверстия цилиндра. Сообщается, что однопоточный двигатель простого расширения обеспечивает эффективность, эквивалентную классическим составным системам, с дополнительным преимуществом в виде превосходных характеристик при частичной нагрузке. Он также легко адаптируется к использованию на высоких скоростях и был обычным способом приводить в действие генераторы электроэнергии в конце девятнадцатого века, до появления паровой турбины.
Впускные клапаны могут приводиться в действие системой двойного кулачка, фаза и продолжительность которой регулируются; это позволяет при необходимости регулировать высокий крутящий момент и мощность с более ограниченным использованием пара и большим расширением для экономичного плавания.
Двигатели Uniflow выпускаются одностороннего, двустороннего, простого и сложного действия. 4-кривошипные 8-цилиндровые тандемные двигатели Skinner [8] одностороннего действия приводят в действие два корабля Great Lakes, которые все еще торгуют (2007 г.). Это Saint Mary’s Challenger, [9] , который в 2005 году завершил 100 лет непрерывной эксплуатации в качестве моторного носителя (двигатель Скиннера был установлен в 1950 году) и автомобильного парома SS Badger . [10]
В начале 1950-х годов Эбнер Добл разработал двигатель Ultimax, двухкривошипный 4-цилиндровый двигатель, аналогичный двигателю Скиннера, для проекта автомобиля Paxton с тандемными оппозитными цилиндрами одностороннего действия, обеспечивающими эффективное двойное действие. . [11]
Турбинные двигатели
Ротор современной паровой турбины , , используемой на электростанции.
Паровая турбина состоит из чередующегося ряда из одного или нескольких вращающихся дисков, установленных на приводном валу, роторов , и неподвижных дисков, прикрепленных к корпусу турбины, статоров , . Роторы имеют гребное расположение лопастей на внешнем крае. Пар воздействует на эти лопасти, вызывая вращательное движение. Статор состоит из аналогичной, но неподвижной серии лопастей, которые служат для перенаправления потока пара на следующую ступень ротора.Паровая турбина часто выходит в поверхностный конденсатор, который создает вакуум. Ступени паровой турбины обычно расположены так, чтобы извлекать максимальную потенциальную работу из определенной скорости и давления пара, что приводит к появлению серии ступеней высокого и низкого давления переменного размера. Турбины эффективны только в том случае, если они вращаются с очень высокой скоростью, поэтому они обычно подключены к понижающей передаче для приведения в действие другого механизма, такого как гребной винт корабля, на более низкой скорости. Этот редуктор может быть механическим, но сегодня более распространено использование генератора / генератора переменного тока для производства электроэнергии, которая позже используется для привода электродвигателя.Ротор турбины также может обеспечивать мощность при вращении только в одном направлении. Следовательно, реверсивная ступень или редуктор обычно требуются там, где требуется мощность в противоположном направлении.
Паровые турбины обеспечивают прямое вращательное усилие и поэтому не требуют механизма связи для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение. Таким образом, они создают более плавное вращательное усилие на выходном валу. Это способствует снижению требований к техническому обслуживанию и меньшему износу оборудования, которое они приводят в действие, по сравнению с сопоставимым поршневым двигателем.
Turbinia — первое судно с паротурбинным двигателемВ основном паровые турбины используются в производстве электроэнергии (около 80 процентов мирового производства электроэнергии приходится на паровые турбины) и в меньшей степени в качестве морских тягачей. В первом случае высокая скорость вращения является преимуществом, и в обоих случаях относительный объем не является недостатком; в последнем (впервые использованном на Turbinia) очень желательны легкий вес, высокая эффективность и высокая мощность.
Практически все атомные электростанции и некоторые атомные подводные лодки вырабатывают электроэнергию за счет нагрева воды для производства пара, который приводит в действие турбину, соединенную с электрическим генератором в качестве главного двигателя. Было изготовлено ограниченное количество железнодорожных паровозов. Некоторые локомотивы без конденсации с прямым приводом действительно имели некоторый успех при перевозках на дальние расстояния в Швеции, но не повторились. В других местах, особенно в США, более совершенные конструкции с электрической трансмиссией были созданы экспериментально, но не воспроизведены.Было обнаружено, что паровые турбины не идеально подходят для работы на железных дорогах, и эти локомотивы не смогли вытеснить классический поршневой паровой агрегат, как это сделала современная дизельная и электрическая тяга.
Роторные паровые машины
Можно использовать механизм на основе бес поршневого роторного двигателя, такой как двигатель Ванкеля, вместо цилиндров и клапанного механизма обычного поршневого парового двигателя. Многие такие двигатели были разработаны со времен Джеймса Ватта до наших дней, но на самом деле было построено относительно немного, и еще меньше было запущено в серийное производство; см. ссылку внизу статьи для получения более подробной информации.Основная проблема заключается в сложности уплотнения роторов, чтобы сделать их паронепроницаемыми перед лицом износа и теплового расширения; в результате утечки сделали их очень неэффективными. Отсутствие расширяющей обработки или каких-либо средств контроля отсечки также является серьезной проблемой для многих таких конструкций. К 1840-м годам стало ясно, что этой концепции присущи проблемы, и к роторным двигателям относились с некоторой насмешкой в технической прессе. Однако появление электричества и очевидные преимущества управления динамо-машиной непосредственно от высокоскоростного двигателя привели к некоторому возрождению интереса в 1880-х и 1890-х годах, и некоторые конструкции имели ограниченный успех.
Из немногих произведенных в больших количествах проектов примечательны модели компании Hult Brothers Rotary Steam Engine из Стокгольма, Швеция, и сферический двигатель башни Бошам. Двигатели Башни использовались Великой Восточной железной дорогой для приведения в действие осветительных динамо-машин на своих локомотивах, а Адмиралтейство — для приведения в движение динамо-машин на борту кораблей Королевского флота. В конечном итоге они были заменены в этих нишевых приложениях паровыми турбинами.
Тип струи
Изобретенный австралийским инженером Аланом Бернсом и разработанный в Великобритании инженерами Pursuit Dynamics, этот подводный реактивный двигатель использует пар под высоким давлением, чтобы всасывать воду через впускное отверстие спереди и выводить ее на высокой скорости через заднюю часть.Когда пар конденсируется в воде, создается ударная волна, которая фокусируется камерой, чтобы вывести воду из спины. Чтобы повысить эффективность двигателя, двигатель втягивает воздух через вентиляционное отверстие перед паровой струей, что создает пузырьки воздуха и изменяет способ смешивания пара с водой.
В отличие от обычных паровых двигателей, здесь нет движущихся частей, которые могут изнашиваться, а выхлопная вода при испытаниях теплее всего на несколько градусов. Двигатель также может служить насосом и смесителем. Этот тип системы упоминается компанией Pursuit Dynamics как «Технология PDX».
Ракета типа
Эолипил представляет собой использование пара по принципу ракетной реакции, но не для прямого движения.
В более позднее время использование пара в ракетной технике было ограниченным, особенно в ракетных автомобилях. Концепция проста: просто заполните сосуд под давлением горячей водой под высоким давлением и откройте клапан, ведущий к подходящей насадке. Падение давления немедленно приводит к закипанию части воды, и пар выходит через сопло, создавая значительную движущую силу.
Можно ожидать, что вода в сосуде высокого давления должна находиться под высоким давлением; но на практике сосуд высокого давления имеет значительную массу, что снижает ускорение транспортного средства. Следовательно, используется гораздо более низкое давление, что позволяет использовать более легкий сосуд высокого давления, что, в свою очередь, дает самую высокую конечную скорость.
Есть даже предположительные планы межпланетного использования. Хотя паровые ракеты относительно неэффективны в использовании топлива, это вполне может не иметь значения, поскольку солнечная система, как полагают, имеет чрезвычайно большие запасы водяного льда, который можно использовать в качестве топлива.Для извлечения этой воды и использования ее в межпланетных ракетах требуется на несколько порядков меньше оборудования, чем для ее расщепления на водород и кислород для обычной ракетной техники. [12]
Контрольно-измерительная аппаратура
По соображениям безопасности почти все паровые машины оснащены механизмами для контроля котла, такими как манометр и смотровое стекло для контроля уровня воды.
Преимущества
Сила паровой машины для современных целей заключается в ее способности преобразовывать тепло практически любого источника в механическую работу, в отличие от двигателя внутреннего сгорания.
Аналогичные преимущества обнаруживаются в другом типе двигателя внешнего сгорания, двигателе Стирлинга, который может обеспечивать эффективную мощность (с усовершенствованными регенераторами и большими радиаторами) за счет гораздо более низкого отношения мощности к габаритам и весу, чем даже современные. паровые машины с компактными котлами. Эти двигатели Стирлинга серийно не производятся, хотя концепции многообещающие.
Паровозы особенно выгодны на больших высотах, поскольку на них не оказывает неблагоприятное воздействие более низкое атмосферное давление.Это было случайно обнаружено, когда паровозы, работавшие на больших высотах в горах Южной Америки, были заменены дизель-электрическими установками эквивалентной мощности на уровне моря. Их быстро заменили гораздо более мощные локомотивы, способные производить достаточную мощность на большой высоте.
Для дорожных транспортных средств паровая силовая установка имеет преимущество, заключающееся в высоком крутящем моменте в неподвижном состоянии, что устраняет необходимость в сцеплении и трансмиссии, хотя время запуска и достаточно компактная упаковка остаются проблемой.
В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и Австрии (Schafberg Bahn) новые реечные паровозы оказались очень успешными. Они были разработаны на основе дизайна 1930-х годов Швейцарского локомотивно-механического завода (SLM), но со всеми возможными современными улучшениями, такими как роликовые подшипники, теплоизоляция, сжигание дизельного топлива, улучшенная внутренняя обтекаемость, управление одним человеком и так далее. Это привело к снижению расхода топлива на одного пассажира на 60 процентов и значительному снижению затрат на техническое обслуживание и погрузочно-разгрузочные работы.Экономика сейчас такая же или лучше, чем у большинства современных дизельных или электрических систем. Кроме того, паровой поезд с такой же скоростью и мощностью на 50 процентов легче, чем электрический или дизельный поезд, поэтому, особенно на зубчатых железных дорогах, значительно сокращается износ пути. Кроме того, был спроектирован и построен новый паровой двигатель для гребного парохода на Женевском озере, Montreux, , который стал первым в мире полноразмерным корабельным паровым двигателем с электронным дистанционным управлением. [13] Паровая группа SLM в 2000 году создала полностью принадлежащую ей компанию под названием DLM для разработки современных паровых двигателей и паровозов.
Безопасность
Паровые двигатели имеют котлы и другие компоненты, которые представляют собой сосуды под давлением, которые содержат большое количество потенциальной энергии. Паровые взрывы могли и приводили к большим человеческим жертвам в прошлом. Хотя в разных странах могут существовать различия в стандартах, применяются строгие законы, испытания, обучение, осторожность при производстве, эксплуатации и сертификации, чтобы попытаться свести к минимуму или предотвратить такие случаи.
К режимам отказа относятся:
- Перегрузка котла
- Недостаток воды в котле, вызывающий перегрев и выход из строя емкости
- Отказ сосуда под давлением котла из-за ненадлежащей конструкции или технического обслуживания.
- Утечка пара из трубопроводов / котла, вызывающая ожоги.
Паровые двигатели часто имеют два независимых механизма для предотвращения слишком высокого давления в котле; один может быть настроен пользователем, второй обычно разработан как предельно отказоустойчивый.
Свинцовые пробки могут быть установлены так, что при падении уровня воды свинец плавится и пар выходит, разгружая котел. Это предотвращает перегрев котла до критического разрушения конструкции.
КПД
КПД двигателя можно рассчитать путем деления выходной энергии механической работы, производимой двигателем, на энергию, подводимую к двигателю при сжигании топлива.
Ни один тепловой двигатель не может быть более эффективным, чем цикл Карно, в котором тепло перемещается из резервуара с высокой температурой в резервуар с низкой температурой, а эффективность зависит от разницы температур. Для максимальной эффективности паровые двигатели должны работать при максимально возможной температуре пара (перегретый пар) и выделять отходящее тепло при минимально возможной температуре.
На практике паровой двигатель, выбрасывающий пар в атмосферу, обычно будет иметь КПД (включая котел) в диапазоне от 1 процента до 10 процентов, но с добавлением конденсатора и многократным расширением его можно значительно улучшить до 25 процентов или лучше.
Электростанция с пароперегревателем, экономайзером и т. Д. Достигнет около 20-40% теплового КПД. Также возможно улавливать отходящее тепло с помощью когенерации, в которой отходящее тепло используется для отопления.Таким образом можно использовать до 85-90% потребляемой энергии.
Современные приложения
Хотя поршневой паровой двигатель больше не имеет широкого коммерческого использования, различные компании изучают или используют потенциал двигателя в качестве альтернативы двигателям внутреннего сгорания.
Компания Energiprojekt AB в Швеции добилась прогресса в использовании современных материалов для использования энергии пара. КПД паровой машины Энергипроекта достигает 27-30% на двигателях высокого давления.Это одноступенчатый 5-цилиндровый двигатель (без компаунда) с перегретым паром и потребляет ок. 4 кг пара на кВтч. [14]
Патенты
Гарольд Холкрофт в своем патенте 7859 25, датированном ноябрем 1909 года: Усовершенствования или касающиеся клапанных передач для двигателей, работающих под давлением жидкости [Holcroft steamindex], как и Артуро Капротти: 170 877 Улучшения в механизмах клапанов для двигателей с эластичной жидкостью. Опубликовано: 4 ноября 1921 г. Номер заявки: 12341/1920. Дата обращения: 4 мая 1920 г .; 13261/1907.Усовершенствования в паровых турбинах и других первичных двигателях с эластичной жидкостью многократного расширения. Применен 7 июня 1907 г. (в Италии 7 июня 1906 г.). Опубликовано 7 августа 1908 г.
См. Также
- Хронология мощности пара
- Промышленная революция
- Джеймс Ватт
- Локомотив
- Steam
- Хронология мощности пара
- История паровой машины
- Паровая турбина
- Сила пара во время промышленной революции
- История паровозов
Примечания
- ↑ Британская энциклопедия, Паровоз.Проверено 7 октября 2008 года.
- ↑ Словарь английского языка американского наследия, 4-е изд. (Бостон, Массачусетс: Компания Houghton Mifflin, 2000, ISBN 9780618082308).
- ↑ Ahmad Y. Hassan, Taqi al-Din and Arabic Mechanical Engineering (Алеппо, SY: Институт истории арабской науки, Университет Алеппо, 1976), 34-35.
- ↑ Университет Рочестера, Рост паровой машины, глава первая. Проверено 7 октября 2008 года.
- ↑ 5.0 5,1 Джон ван Римсдейк, Составные локомотивы (Пенрин, Великобритания: Atlantic Transport, 1994, ISBN 0
9613), 2-3. - ↑ Джордж У. Карпентер, La locomotive à vapeur (Бат, Великобритания: Camden Miniature Steam Services, 2000, ISBN 0953652300), 56-72.
- ↑ A.M. Белл, Локомотивы (Лондон, Великобритания: Virtue and Company, 1950), 61-63.
- ↑ Автомобильные паромы, Двигатели Скиннера. Проверено 7 октября 2008 года.
- ↑ Джордж Уортон, Great Lakes Fleet Page Характеристика судов — St.Челленджер Мэри, Boatnerd.com. Проверено 7 октября 2008 года.
- ↑ Макс Хэнли, Статья о судне Флота Великих озер — Badger, Boatnerd.com. Проверено 7 октября 2008 года.
- ↑ Интернет-архив Калифорнии, Отчет инженерного отдела Пакстон (2 из 3). Проверено 7 октября 2008 года.
- ↑ Топливо для околоземных объектов, Домашняя страница. Проверено 7 октября 2008 года.
- ↑ Роджер Уоллер, Современный пар — экономическая и экологическая альтернатива дизельной тяге. Проверено 7 октября 2008 года.
- ↑ Energi Projekt, Как в нашей концепции создается тепло и электричество. Проверено 7 октября 2008 года.
Ссылки
Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов
- Брей, Стэн. 2005. Создание простых моделей паровых двигателей. Рамсбери, Великобритания: Crowood. ISBN 1861267738.
- Карпентер, Джордж У. и участники. 2000. La locomotive à vapeur. Бат, Великобритания: Camden Miniature Steam Services. ISBN 0953652300.
- Римсдейк, Джон ван.1994. Составные локомотивы. Пенрин, Великобритания: Атлантический транспорт. ISBN 0
9613. Внешние ссылки
Все ссылки получены 3 января 2020 г.
Тепловые двигатели Циклы хода Одно тактный цикл · Двухтактный цикл · Четырехтактный цикл · Шеститактный цикл
Типы двигателей Газовая турбина · Поршень · Реактивный · Ракетный двигатель · Паровой двигатель · Двигатель Стирлинга · Tschudi · 9085 Поворотный · Ванкель · Свободнопоршневой · Britalus · Coomber · Поворотно-поршневой · Орбитальный · Квазитурбинный Клапаны Присоединение головки блока цилиндров · Corliss · D-слайд · Коллектор · Multi · Поршень
00 · · Тарельчатый клапан ·Расположение поршней Одноцилиндровый · Прямой · Противоположный · Плоский · V · W · H · Deltic · Сопло Двигатель Ro858 · Поворотный · Stelzer · Контролируемое горение · Бурк
Движение
механизмовКулачок · Шатун · Заменитель угольника Шестигранник Шатун · Коленчатый вал · Лин. kages (Evans · Peaucellier-Lipkin · Прямой сектор · Вт) · Цилиндр двойного действия / дифференциал
Термодинамический цикл Кредиты
New World Encyclopedia Писатели и редакторы переписали и дополнили статью Wikipedia в соответствии со стандартами New World Encyclopedia .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников Энциклопедии Нового Света, участников, так и на бескорыстных добровольцев Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:
История этой статьи с момента ее импорта в энциклопедию Нового Света :
Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.
Схема паровой машины Ньюкомена (принт № 9788513). Карточки
Принт в рамке со схематическим изображением паровой машины Ньюкомена. Томас Ньюкомен (1663-1729) Английский изобретатель и инженер
Схематическое изображение паровой машины Ньюкомена. Томас Ньюкомен (1663-1729), английский изобретатель и инженер. Гравюра, раскрашенная вручную в начале XIX века
Мы рады предложить этот отпечаток в сотрудничестве с Universal Images Group (UIG)
Universal Images Group (UIG) управляет распространением для многих ведущих специализированных агентств по всему миру
© Всеобщий исторический архив / Universal Images Group
Идентификатор носителя 9788513
1663 1729 19-е Век Рано Двигатель Инженер английский Гравировка Раскрашенный вручную Промышленные Изобретатель Механизация Newcomen Сила Революция Схема Стим Томас Вид
14 дюймов x 12 дюймов (38×32 см) Современная рама
Наши современные репродукции в рамке профессионально сделаны и готовы повесить на вашу стену
проверить
Pixel Perfect Guaranteeпроверить
Сделано из высококачественных материаловпроверить
Изображение без кадра 15.9 x 24,4 см (прибл.)проверить
Профессиональное качество отделкиcheck
Размер продукта 32,5 x 37,6 см (прибл.)Наши водяные знаки не появляются на готовой продукции
Рамка под дерево, на карточке, печать фотографий архивного качества 10×8. Габаритные внешние размеры 14×12 дюймов (38×32 см). Экологически чистые и озонобезопасные молдинги Polycore® шириной 40 мм x 15 мм выглядят как натуральное дерево, они прочные, легкие и их легко повесить. Биоразлагаемый и сделанный с использованием нехлорированных газов (без токсичных паров), он эффективен; производя 100 тонн пенополистирола, можно спасти 300 тонн деревьев! Отпечатки глазируются легким небьющимся акрилом с оптической прозрачностью (обеспечивающим такую же общую защиту от окружающей среды, как и стекло).Спинка — прошитый ДВП с прикрепленной пилообразной подвеской. Примечание. Чтобы свести к минимуму обрезку оригинального изображения, обеспечить оптимальный макет и обеспечить безопасность печати, видимый отпечаток может быть немного меньше
Код товара dmcs_9788513_80876_736
Фотографическая печать Плакат Печать Печать в рамке Пазл Печать на холсте Поздравительные открытки Фото кружка Художественная печать Установленное фото Печать в рамке Коврик для мыши Стеклянная подставка Премиум обрамление Подушка Сумка Металлический принт Стеклянная рамка Акриловый блок Стеклянные коврики
Категории
> Архитектура > Промышленное
> Universal Images Group (UIG) > История > Гравировка
Полный диапазон художественной печати
Наши стандартные фотоотпечатки (идеально подходят для кадрирования) отправляются в тот же или на следующий рабочий день, а большинство других товаров отправляется на несколько дней позже.
Печать фотографий (6,07–182,43 доллара)
Наши фотопринты напечатаны на прочной бумаге архивного качества для яркого воспроизведения и идеально подходят для кадрирования.Печать плакатов (13,37–72,97 долларов)
Бумага для плакатов архивного качества, идеально подходит для печати больших изображенийПечать в рамке (54,72 доллара — 279,73 доллара)
Наши современные репродукции в рамке профессионально сделаны и готовы повесить на вашу стенуПазл (34 доллара.04 — 46,21 долл. США)
Пазлы — идеальный подарок на любой случайCanvas Print (36,48–304,05 долл.)
Профессионально сделанные, готовые к развешиванию Печать на холсте — отличный способ добавить цвет, глубину и текстуру в любое пространство.Поздравительные открытки (7,26–14,58 долларов США)
Поздравительные открытки для дней рождения, свадеб, юбилеев, выпускных, благодарностей и многого другогоФотокружка (12,15 $)
Наслаждайтесь любимым напитком из кружки, украшенной любимым изображением.Сентиментальные и практичные персонализированные фотокружки станут идеальным подарком для близких, друзей или коллег по работеРепродукция изобразительного искусства (36,48 — 486,49 долларов)
Наши репродукции репродукций произведений искусства соответствуют стандартам самых критичных музейных хранителей, что делает их еще лучше, чем оригинальные произведения искусства с мягкой текстурированной естественной поверхностью.Фото (15,80 — 158,10 долларов)
Фотопринты поставляются в держателе для карт с индивидуальным вырезом, готовом к обрамлениюПечать в рамке (54 доллара.72 — 304,05 долл. США)
Наш оригинальный ассортимент британских принтов в рамке со скошенным краемКоврик для мыши (17,02 доллара США)
Фотопечать архивного качества на прочном коврике для мыши с нескользящей подложкой. Работает со всеми компьютерными мышками.Glass Coaster (9,72 доллара)
Индивидуальная стеклянная подставка под столешницу. Элегантное полированное безопасное закаленное стекло и подходящие термостойкие коврики также доступныPremium Framing (109,45–352 доллара.70)
Наши превосходные фоторамки премиум-класса профессионально сделаны и готовы повесить на вашу стенуПодушка (30,39 $ — 54,72 $)
Украсьте свое пространство декоративными мягкими подушкамиБольшая сумка ($ 36,43)
Наши сумки-тоут изготовлены из мягкой прочной ткани и оснащены ремнем для удобной переноски.Metal Print (71,76 — 485,28 долларов)
Изготовленные из прочного металла и роскошной техники печати, металлические принты оживляют изображения и добавляют современный вид любому помещениюСтеклянная рамка (27 долларов.96 — 83,93 доллара США) Крепления из закаленного стекла
идеально подходят для настенного дисплея, а меньшие размеры также можно использовать отдельно с помощью встроенной подставки.