История избретения парового двигателя. Кто изобрел паровой двигатель?

Теперь вы знаете, как устроен паровой двигатель, что паровая машина, изобретённая ещё в первом столетии нашей эры, вовсе не анахронизм, а современное высокотехнологичное устройство, благодаря которому жизнь многих людей стала комфортнее.

Содержание

История паровых машин и двигателей

Ниже представлен краткий экскурс в историю эволюции инженерной мысли «ролико-лопастного» машиностроения с XVI по наше время.

С незапамятных времен и по сей день большинство изобретательских умов были заняты проблемой облегчения человеческого труда. Идея всевозможного и повсеместного замещения человека машинами подстегивает инженеров к активной деятельности и в наше время (в т.ч. Скайнет и Джона с Сарой Конноров). На рассвете технического прогресса умы были сориентированы на механизацию наиболее жизненно важных процессов — переремещения воды и грузов.

А в качестве источника энергии рассматривались доступные в то время силы ветра, воды и пара. Ниже будут рассмотрены конструкции использовавшие последние два источника, а именно насосы, гидромоторы, паровые машины(паровые двигатели). За трехсотлетнюю историю развития индустриального общества были предложены десятки тысяч различных воплощений инженерной мысли о преобразовании обуздании энергии, в данном обзоре мы рассмотри наиболее близкие к ролико-лопастной тематике. Однако, все перечисленные ниже схемы роторных сегодня сменили предначертанную создателями судьбу и используются в наше в ремя в качестве расходомеров.

Вращательный паровой двигатель Уатта. Справа внизу находятся планетарные передачи. Слева под балкой можно видеть соединение, обеспечивающее возвратно-поступательную работу машины. Справа от цилиндра находится центробежный регулятор – два рычага с грузиками.

Лихорадка паровых мельниц

Ко второй половине XVIII века почти все места, примыкавшие к основным промышленным городам Британии – Бирмингему, Ноттингему, Манчестеру и Шеффилду – и обладавшие водными потоками, были заняты. По поводу доступа к водным потокам развязывались жаркие судебные баталии – к концу века истцы в сумме тратили по £10 000 в год на подобные тяжбы только в округах Йорк и Ланкастер. 6

Белперская прядильная фабрика в разрезе. Построена в 1804 году на реке Деруэнт. 80 прядильных машин вращают более 4000 веретён.

Распространение хлопка лишь усугубило и без того тяжёлую ситуацию. Обычная мельница, где мололи муку или валяли шерсть, использовала порядка пяти лошадиных сил от мощности реки – по сравнению с 10-20 для фабрики Аркрайта. Хлопок в основном обрабатывали в Ланкашире к северо-западу от Манчестера, где легко можно было получить доступ к неиссякающим потокам воды с Пеннинских гор на востоке, к Ливерпульскому порту на западе, а также к транспортному хабу и торговле в самом Манчестере. Однако конкуренция за удобные промышленные участки достигла такого накала, что в 1780-е некоторым производителям тканей пришлось переезжать в другие части страны, а иным – полагаться на буквальные лошадиные силы.

В 1781 году Болтон, с большим интересом наблюдавший за развитием событий, написал своему партнёру Уатту с просьбой направить свою инженерную мысль в это русло, чтобы воспользоваться возросшим спросом на энергию. «Люди в Лондоне, Манчестере и Бирмингеме подвержены лихорадке паровых мельниц, так что будем же благоразумны и воспользуемся этой ситуацией», — писал он. Отдельным письмом он предупреждал Уатта, что рынок шахтных насосов практически насыщен, и «другого Корнуолла не предвидится». 7

Механическую структуру паровой машины для выхода на этот новый рынок следовало соответствующим образом адаптировать. Вместо возвратно-поступательного движения насоса ей нужно было выдавать плавное и равномерное вращение. Любые изменения в скорости вращения привели бы к появлению неравномерной нити, толщина которой постоянно менялась бы. Сам великий Джон Смитон скептически относился к возможности создания такой машины: «По моему мнению, никакое движение возвратно-поступательного рычага или огненной машины невозможно преобразовать в идеальное круговое движение, подобное вращению водяного колеса». 8 Сам он делал ставку на гибридных системах, работавших одновременно с паром и водяным колесом. Уже много лет существовали схемы, в которых машины Ньюкомена закачивали воду наверх, а она затем вращала водяные колёса. Довёл до совершенства эту концепцию Джошуа Ригли, объединив паровой насос схемы Севери и водяное колесо. Вращение колеса управляло клапанами двигателя. Получалось, что колесо обеспечивает подачу воды самому себе. 9 Устройству Ригли не требовалось реального пара, нужен был лишь резервуар с водой, поэтому оно давало такую же свободу в выборе географии, как и паровой двигатель. Однако по эффективности такая кольцевая схема не могла состязаться с вращательным паровым двигателем – если бы его можно было построить.

Хотя Болтону потребовалось подтолкнуть Уатта к созданию вращательной машины, идей у последнего по этому поводу и так хватало. Его интерес к вращательному движению восходил ещё к самой первой его мотивации, заставившей его заняться паровыми двигателями. Это была идея его друга Джеймса Робинсона о том, что паровой двигатель можно было бы использовать для движения повозки вместо лошадей. Мысль о решении задачи вращательного движения сидела в его сознании, и параллельно с прославившим его возвратно-поступательным паровым насосом Уатт разрабатывал двигатель совсем другого типа, именно для вращательного движения. Он назвал его паровым колесом.

Паровая революция?

Согласно учению одной из школ исторического мышления, набиравшей популярность в конце предыдущего века, в истории не было никаких внезапных событий, преобразовывавших жизнь людей. Рим не пал – он мирно состарился, войдя в позднюю античность. Современная наука не появлялась внезапно в XVII веке – в течение многих веков школяры урывками и обрывками находили различные стратегии поиска знаний. А промышленная революция конца XVIII и начала XIX веков была лишь иллюзией, заполненной шумными двигателями и яростно работавшей машинерией, ничего не значившей для экономической статистики. 15

Что ж, тем хуже для экономистов и их статистики, если они не смогли распознать величайшие качественные изменения жизни британцев, очевидные для всех остальных жителей того времени. Кроме упомянутого влияния на культуру одежды, взрывной рост британского хлопка разрушил целый производственный сектор в Индии, что стало важнейшим событием в процессе постепенного переноса экономических мощностей с центральных регионов евразийского континента на атлантические берега Европы и Северной Америки. Вскоре джентри, попавшие на американский Юг, перестроили всю свою жизнь так, чтобы служить поставщикам хлопка для британских прядильных фабрик, безвозвратно связав его добычу с рабством и подготовив почву для Гражданской войны в США. И это только если рассматривать одну промышленность, пусть и наиболее динамичную из всех на ранних этапах индустриализации.

Что же тогда мы можем сказать о паровом двигателе? Была ли революция парового двигателя? Он, конечно, не заменил водяное колесо в одночасье. Даже в Британии энергия воды продолжала затмевать энергию пара как по количеству мельниц, так и по общей мощности, вплоть до середины XIX века. В других странах, где воды было побольше, промышленных знаний поменьше, а уголь стоил подороже, энергия воды доминировала над паром и во второй половине того же века. Схемы водяных колёс также претерпевали технические улучшения, в частности замену деревянных колёс чугунными, более лёгкими и эффективными. Но, конечно, эта замена зависела от дешёвого железа, цена на которое зависела от дешёвого угля, который, в свою очередь, зависел от пара. 16

Как мы уже видели, энергия пара появилась как раз вовремя для того, чтобы разрешить энергетический кризис в Британии, наступивший из-за почти полного исчерпания водных путей, пригодных для использования с традиционными мельницами. Но и эта чисто количественная роль нового источника энергии не способствовала революции паровых двигателей. Зато ей способствовали два других фактора: постоянство во времени и независимость от географического расположения.

Доиндустриальное общество двигалось в соответствии с ритмами дней и времён года. Почти вся работа происходила на фермах, где рабочие часы и времена года обуславливались потребностью в растениях и животных, а зима обеспечивала естественное затишье между сбором урожая и посадками. Водяные колёса мало влияли на этот распорядок. Водяная мельница зависела от ежегодного цикла влажных и сухих сезонов, зимней стужи и случайных перерывов в виде наводнений и засух. Паровые же двигатели, работавшие на накопленной за бесчисленные эпохи солнечной энергии, заключённой глубоко под землёй, не зависели ни от этих циклов, ни от капризов природы. 17 Начало появляться промышленное время, измеряющееся равными интервалами, и оторванное от смены времён года – с помощью ещё одного продукта тех же самых шахт, искусственного света, получаемого из каменноугольного (светильного) газа.

5.8. Изобретение колеса 7. Колесо и повозка были изобретены еще в эпоху индоевропейского единства, т. е. на первоначальной территории среднестоговской культуры. Это следует из того очевидного факта, что колесо было хорошо известно уже в период индоевропейского единства.

Сокращая расходы на топливо

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

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

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

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

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

Пар завоевывает мир

Паровая машина Ньюкомена, впервые установленная в 1712 году.

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

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

Предполагается, что изобретение де Гарая, состоящее из медного котла, приводившего в движение вращающиеся колеса с обеих сторон корабля, было эолипилом. Его предлагалось сочетать с размещением гребных колес на бортах лодки – практика, используемая с римского периода.

Применение в настоящее время

Сегодня паровые машины нашли широкое применение в виде паровых турбин, которые работают как приводы электрогенераторов.

Паровая турбина состоит из вращающихся дисков, которые закреплены на одной оси. Этот узел называется ротором. Также есть статор ‒ его неподвижные диски чередуются с дисками ротора. На дисках ротора размещены лопатки, при попадании на них пара, механизм приходит в движение.

Аналогичные лопатки, только расположенные под противоположным углом, есть и на дисках статора. Они служат для перенаправления струи пара на следующий диск ротора.

Турбина преобразует энергию пара во вращательное движение без каких-либо дополнительных механизмов. То есть преобразование возвратно-поступательного хода во вращательное движение делать не нужно.

Также у турбин меньшие размеры нежели у возвратно-поступательных машин, и они отличаются постоянным усилием на выходном валу. Ещё один плюс ‒ простая конструкция, а значит придётся меньше тратить средств на эксплуатацию.

Сфера использования паровых турбин ‒ производство электроэнергии. Более 85 процентов электрической энергии вырабатывают именно паровые турбины. Также их используют как судовые двигатели, в частности на подводных лодках и атомоходах.

Теперь вы знаете, как устроен паровой двигатель, что паровая машина, изобретённая ещё в первом столетии нашей эры, вовсе не анахронизм, а современное высокотехнологичное устройство, благодаря которому жизнь многих людей стала комфортнее.

Перспективы применения паровых машин на автомобилях имеют пока туманные очертания, но творческая мысль изобретателя не имеет границ и я с полной уверенностью могу предположить, что скоро появятся двигатели с элементами парового носителя

Подписывайтесь на наш блог, чтобы узнать много нового и интересного. Поделитесь этой информацией с друзьями в социальных сетях ‒ пусть они повысят свой технический уровень, ну и вам будет приятно иметь умных друзей.

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.

1954 год: Обнинская АЭС

Первая в мире атомная электростанция, в которой для производства пара используется вода, скипяченная в результате контролируемых цепных ядерных реакций. Она была построена в России во времена Советского Союза . Атомная станция предназначалась для питания электрической сети. Этот метод паровой энергии используется до сих пор.

Вращательный паровой двигатель Уатта. Справа внизу находятся планетарные передачи. Слева под балкой можно видеть соединение, обеспечивающее возвратно-поступательную работу машины. Справа от цилиндра находится центробежный регулятор – два рычага с грузиками.

Система запуска

Через систему раздаточной катушки, открывающие и закрывающие фонари водяной пар под давлением направляется к одному концу цилиндра , где он толкает поршень . Последний приводит в движение шатун, который шарнирно закреплен на рулевом колесе по инерции в эксцентрической точке его оси вращения. Поэтому его движение вызывает вращение рулевого колеса.

От маховика опять же шток, управляющий впускным и выпускным золотником . Когда поршень достигает конца цилиндра, шток толкает золотник назад:

В случае цилиндра одностороннего действия выдвижной ящик закрывает вход для легкого пара, а с той же стороны открывается еще один свет, чтобы выпустить пар, содержащийся в цилиндре. Маховик за счет накопленной кинетической энергии продолжает вращаться, тем самым толкая поршень обратно в исходную точку.
В цилиндре двустороннего действия ящик открывает, кроме того, впускное отверстие для пара с другой стороны, он толкает назад поршень, который продолжает толкать маховик.

На этом маховике размещен ремень, который обеспечивает эластичное соединение с входным шкивом машины, преобразуя это движение в конкретную работу . Для промышленного использования эту энергию чаще всего необходимо регулировать, чтобы скорость вращения не зависела от капризов нагрева и, прежде всего, от потребности в мощности на выходе. Здесь на помощь приходит центробежный регулятор, разработанный Watt , который воздействует непосредственно на клапан, через который пар поступает из котла .

Технологии и доработки

С обобщением своего использования паровой двигатель узнает целый ряд усовершенствований, направленных на повышение его эффективности и мощности за счет использования все более важных давлений, создаваемых котлами .

Двойное действие

Двухцилиндровая обучающая машина двойного действия Lego . Обратите внимание на установку двух коленчатых валов на 90 °, что допускает отсутствие маховика.

Двойное действие, изобретенное Ваттом, становится повсеместным, оно позволяет значительно увеличить мощность за счет исключения фазы, в которой поршень ведет себя как тормоз, который становится двигателем как для движения, так и для возврата. В двигателях, работающих на расширении пара, он попеременно толкается двумя расширительными камерами, которые он определяет. Роль системы подачи ползуна состоит в том, чтобы запускать либо подачу, либо выпуск для двух камер.

Функциональное описание

(анимация ниже) Впуск и выпуск пара с обеих сторон цилиндра контролируются распределительным золотником ( 6 ). Поршень соединен с торцом, который с помощью приводного стержня преобразует возвратно-поступательное движение в круговое движение. Это движение передается на все ведущие колеса благодаря шатунам. Золотник клапана регулируется на передачу заднего хода с помощью колеса управления винтом переключения передач ( 8 ), расположенного в кабине водителя.

Распределительная работа (модель распределения Уолшартса )

Через ползун ( 6 ) пар поступает в цилиндр ( 7 ) и попеременно воздействует на две стороны поршня. Шток поршня приводит в действие шатун, соединенный с приводной колесной передачей через шарнирно-сочлененный стык ( 5 ). Спаренные колеса становятся все ведущими. Посредством контр-кривошипа ( 2 ), заклинивающего под углом 90 ° к ведущему кривошипу, шатун приводит в колебания распределительный ползун ( 1 ), в котором скользит шток управления золотником ( 3 ). В сочетании с рычагом подачи ( 4 )

Множественное расширение

В XIX — м веке, давление доступно на выходе котлов возрастает, мы в конечном итоге с помощью более цилиндров с увеличением размеров, где пар проходит последовательно , как и его релаксации . Таким образом, мы сначала увидели машины с двойным расширением, такие как составные локомотивы , затем машины с тройным расширением, содержащие соответственно два и три цилиндра, называемые цилиндрами высокого, среднего и низкого давления. Многократное расширение позволило значительно повысить эффективность паровых двигателей и автономность судов, использующих эту технологию.

Два или три цилиндра приводили в движение вал общего двигателя; один вариант имел два цилиндра низкого давления, при этом четыре цилиндра были расположены в V-образной конфигурации.

Множественные расширительные машины иногда называют плунжерным двигателем.

Шотландский инженер Уильям Макнот (en) запатентовал двигатель двойного действия в 1845 году. К цилиндру машины типа Boulton & Watt он подключил цилиндр высокого давления, сжатый другим концом весов, где «водяной насос» был исправлен для работы. Это привело к двум важным эффектам: сила, действующая на баланс, была значительно уменьшена, и линия водяного пара по своей длине действовала как расширительная камера, отсутствующий элемент в машинах Вульфа. Таким образом, стало возможным модифицировать машины Ватта постфактум, и модифицированные таким образом машины получили название McNaughted . Преимущества составного двигателя стали заметны только при давлении выше 7 бар.