Большинство людей считают его изобретателем паровой машины, но это не совсем так.Паровые машины, построенные Д.Папеном, Т.Севери, И.Ползуновым, Т.Ньюкоменом начали работать на шахтах ещё задолго до Д.Уатта. Они различались конструктивно, но главное в них было то, что движение поршня вызывалось попеременным нагреванием и охлаждением рабочего цилиндра. Из-за этого они были медленными и потребляли очень много топлива.
19 января 1736 г родился Джеймс Уатт (James Watt, 1736-1819), выдающийся шотландский инженер и изобретатель, прославившийся прежде всего как создатель усовершенствованной паровой машины. Но и в истории медицины критических состояний он оставил яркий след своим сотрудничеством с «Пневматическим медицинским институтом» Томаса Беддо (Beddoes, Thomas, 1760-1808). Джеймс Уатт снабжал лаборатории института необходимым оборудованием. Благодаря его участию, в «Пневматическом институте» создавались и испытывались первые ингаляторы, спирометры, газомеры и т.д.
Сам Джеймс Уатт, а также его жена и один из сыновей, неоднократно участвовали в научных экспериментах. «Пневматический институт» стал настоящим научным центром, в котором изучались свойства различных газов и их влияние на организм человека. Можно сказать, что Томас Беддо и его сотрудники были пионерами и предшественниками современной респираторной терапии. К сожалению, Томас Беддо ошибочно полагал, что туберкулёз вызывается избытком кислорода.Поэтому сын Джеймса Уатта, Грегори, прошёл в «Пневматическом институте» совершенно бесполезный курс лечения ингаляциями углекислого газа. Однако именно в «Пневматическом институте» впервые был применён с лечебной целью кислород; были разработаны основы аэрозольной терапии; впервые была измерена общая ёмкость лёгких методом разведения водорода (Г.Дэви), и т.д. Венцом сотрудничества Уатта и Беддо по лечебному применению различных газов стала их совместная книга «Материалы по медицинскому применению искусственных сортов воздуха», вышедшая двумя изданиями ( 1794, 1795 гг.), и ставшая первым специальным пособием по оксигенотерапии.
В 1755 г. Уатт уехал в Лондон учиться на механика и мастера по изготовлению математических и астрономических инструментов. Освоив за год семилетнюю программу обучения, Уатт возвратился в Шотландию и получил место механика в университете Глазго. Заодно он открыл и свою собственную ремонтную мастерскую.В университете Уатт познакомился с великим шотландским химиком Джозефом Блэком (Joseph Black, 1728-1799), открывшим углекислый газ в 1754 г. Эта встреча способствовала разработке ряда новых химических приборов, необходимых в дальнейших исследованиях Блэка, например, ледяного калориметра. В это время Джозеф Блэк занимался проблемой определения теплоты парообразования, а Уатт принимал участие в обеспечении технической стороны экспериментов.В 1763 г. к нему, как к механику университета, обратились с просьбой отремонтировать университетскую модель паровой машины Т.Ньюкомена.
Здесь следует сделать небольшое отступление в историю создания паровых машин. Когда-то нас учили в школе, воспитывая «великодержавный шовинизм», что паровую машину изобрел русский крепостной механик Иван Ползунов, а не какой-то там Джеймс Уатт, о роли которого в создании паровых машин иногда можно было прочитать в «неправильных» с патриотической точки зрения книжках. Но на самом деле изобретателем паровой машины является не Иван Ползунов, и не Джеймс Уатт, а английский инженер Томас Ньюкомен (Thomas Newcomen, 1663-1729).Более того, первая попытка поставить пар на службу человеку была предпринята в Англии ещё в 1698 г. военным инженером Томасом Сэйвери (Thomas Savery, 1650?-1715). Он создал паровой водоподъёмник, предназначавшийся для осушения шахт и перекачивания воды, и ставший прототипом паровой машины.
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 через выпускную трубу. Затем цикл повторялся, но воду можно было поднимать только с глубины менее 10,36 м, поскольку в действительности её выталкивало атмосферное давление.
Сам изобретатель назвал водоподъёмник «огневой машиной» и широко разрекламировал её как «друга шахтеров». Для получения пара, приводившего машину в действие, требовался огонь, но 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.В машине Томаса Сэйвери рабочий цилиндр был отделён от котла и для быстрой конденсации пара обливался снаружи холодной водой, что было не совсем удобным для эксплуатации. Однако среди паровых машин того времени была и более удачная «огневая машина» французского изобретателя Дени Папена (Denis Papin, 1647-1712 ?), объединявшая в одном устройстве котел для парообразования и рабочий цилиндр с поршнем.Сначала в 1674 г., основываясь на идее Кристиана Гюйгенса (Christian Huygens), Папен построил пороховой двигатель, принцип действия которого основывался на воспламенении в цилиндре пороха и перемещении поршня внутри цилиндра под воздействием пороховых газов. Когда избыток газов выходил из цилиндра через специальный клапан, а оставшийся газ охлаждался, в цилиндре создавался частичный вакуум, и поршень возвращался в исходное положение под действием атмосферного давления.
Эта машина была не очень удачной, но она навела Папена на яркую мысль заменить порох водой. И в 1698 г. он построил паровую машину (в том же году свою «огненную машину» построил и англичанин Сэйвери). Вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем внутри, и образовавшийся пар толкал поршень вверх. Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень опускался вниз под действием атмосферного давления. Таким образом, посредством системы блоков машина Папена могла приводить в действие различные механизмы, например, насосы.
С паровыми машинами Сэйвери и Папена был знаком английский изобретатель Томас Ньюкомен (Thomas Newcomen,1663 - 1729), который часто бывал на шахтах в Вест Кантри, где он работал кузнецом, и поэтому хорошо понимал, как нужны надёжные насосы для предотвращения затопления шахт. Он объединил свои усилия с водопроводчиком и стекольщиком Джоном Калли в попытке построить более совершенную модель. Их первая паровая машина была установлена на угольной шахте в Стаффордшире в 1712 г.
Как и в машине Папена, поршень перемещался в вертикальном цилиндре, но в целом машина Ньюкомена была значительно более совершенной. Чтобы ликвидировать зазор между цилиндром и поршнем, Ньюкомен закрепил на торце последнего гибкий кожаный диск и налил на него немного воды.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 оказалась на редкость удачной для того времени и использовалась по всей Европе более 50 лет. Её использовали для откачки воды из многочисленных шахт в Великобритании. Это было первое крупносерийное изделие в истории техники (выпущено несколько тысяч штук).В 1740 г. машина с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняла работу, которую бригады из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, раньше выполняли за неделю.
В 1775 г. ещё более большая машина, построенная Джоном Смитоном (создателем Эддистоунского маяка), за две недели осушила док в Кронштадте (Россия). Ранее с использованием высоких ветряков на это уходил целый год.И, тем не менее, машина Ньюкомена была далека до совершенства. Она преобразовывала в механическую энергию всего лишь около 1 % тепловой энергии и, как следствие, пожирала огромное количество топлива, что, впрочем, не имело особого значения, когда машина работала на угольных шахтах.
В целом машины Ньюкомена сыграли огромную роль в сохранении угольной промышленности. С их помощью удалось возобновить добычу угля во многих затопленных шахтах.Про изобретение Ньюкомена можно сказать, что это была действительно паровая машина, вернее, пароатмосферная машина. От предыдущих прототипов паровых машин её отличало следующее:
* движущей силой в ней было атмосферное давление, а разрежение достигалось при конденсации пара;* в цилиндре находился поршень, который совершал рабочий ход под действием пара;* вакуум достигался в результате конденсации пара при впрыскивании внутрь цилиндра холодной воды.Поэтому на самом деле изобретателем паровой машины по праву является англичанин Томас Ньюкомен, который разработал свою пароатмосферную машину в 1712 г. (за полстолетия до Уатта).
Совершая краткий экскурс в историю создания паровых машин, нельзя пройти мимо личности нашего выдающегося соотечественника Ивана Ивановича Ползунова (1729-1766), построившего пароатмосферную машину раньше, чем это сделал Джеймс Уатт. Будучи механиком Колывано-Воскресенских горнорудных заводов на Алтае, он предложил 25 апреля 1763 г. проект и описание «огнедействующей машины». Проект попал на стол к начальнику заводов, который одобрил его и отослал в Петербург, откуда вскоре пришел ответ: «…Сей его вымысл за новое изобретение почесть должно».Ползунов предлагал построить вначале небольшую машину, на которой можно было бы выявить и устранить все недостатки, неизбежные в новом изобретении. Заводское начальство с этим не согласилось и решило строить сразу огромную машину для мощной воздуходувки. В апреле 1764 г. Ползунов приступил к строительству машины, в 15 раз более мощной по сравнению с проектом 1763 г.
Идею пароатмосферного двигателя он взял из книги И. Шлаттера «Обстоятельное наставление рудному делу…» (Санкт-Петербург, 1760 г.).Но двигатель Ползунова коренным образом отличался от английских машин Сэйвери и Ньюкомена. Те были одноцилиндровые и пригодны лишь для откачки воды из шахт. Двухцилиндровый двигатель непрерывного действия Ползунова мог подавать дутье в печи и откачивать воду. В дальнейшем изобретатель рассчитывал приспособить его и для других нужд.Постройку машины поручили Ползунову, в помощь которому были выделены «не знающие, но только одну склонность к тому имеющие из здешних мастеровых двое», да еще несколько подсобных рабочих. С этим «штатом» Ползунов приступил к постройке своей машины. Строилась она год и девять месяцев. Когда машина уже прошла первое испытание, изобретатель заболел скоротечной чахоткой и 16 (28) мая 1766 г., за несколько дней до завершающих испытаний, умер.23 мая 1766 г. ученики Ползунова Левзин и Черницын одни приступили к последним испытаниям паровой машины. В «Дневной записке» от 4 июля было отмечено «исправное машинное действие», а 7 августа 1766 г. вся установка, паровая машина и мощная воздуходувка, была сдана в эксплуатацию. Всего за три месяца работы машина Ползунова не только оправдала все затраты на её постройку в сумме 7233 рублей 55 копеек, но и дала чистую прибыль в 12640 рублей 28 копеек. Однако, 10 ноября 1766 г. после того, как у машины перегорел котел, она простояла без действия 15 лет 5 месяцев и 10 дней. В 1782 г. машина была разобрана. (Энциклопедия Алтайского края. Барнаул. 1996. Т. 2. С. 281-282; Барнаул. Летопись города. Барнаул. 1994. ч. 1.с.30).
В это же время в Англии над созданием паровой машины работал и Джеймс Уатт. В 1763 г. к нему, как к механику университета, обратились с просьбой отремонтировать университетскую модель паровой машины Т.Ньюкомена.Отлаживая университетскую модель пароатмосферной машины Т.Ньюкомена, Уатт убедился в низкой эффективности подобных машин. Он загорелся идеей улучшить параметры паровой машины. 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 г. Он понял, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если до конденсации отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. При этом перенос процесса конденсации пара за пределы цилиндра должен способствовать снижению расхода пара. Более того, цилиндр может оставаться горячим, а конденсор холодным, если снаружи их покрыть теплоизоляционным материалом.Усовершенствования, которые внес Уатт в паровую машину (центробежный регулятор, отдельный конденсатор пара, уплотнители и др.), не только подняли коэффициент полезного действия машины, но и окончательно превратили пароатмосферную машину в паровую, а главное - машина стала легко управляемой.В 1768 г. он подал прошение о патенте на свое изобретение. Патент он в 1769 г. получил, но построить паровую машину ему долго не удавалось. И только в 1776 г. при материальной поддержке доктора Ребека, основателя первого металлургического завода в Шотландии, паровая машина Уатта была, наконец, построена и успешно прошла испытание.
Первая машина Уатта оказалась вдвое эффективнее машины Ньюкомена. Интересно, что в основе разработок, следовавших за исходным изобретением Ньюкомена, лежало понятие “производительности” двигателя, что означало число футофунтов воды, которое закачивалось на бушель угля. Кому принадлежала идея этой единицы, теперь не известно. Этот человек не вошёл в историю науки, но, наверное, это был какой-нибудь прижимистый владелец шахты, который замечал, что некоторые двигатели работали более эффективно, чем другие, и не мог допустить того, чтобы на соседней шахте была большая норма выработки.И хотя испытания машины прошли успешно, в ходе её дальнейшей эксплуатации стало ясно, что первая модель Уатта оказалась не совсем удачной, и сотрудничество с Ребеком прервалось. Несмотря на нехватку средств, Уатт продолжал работать над усовершенствованием паровой машины. Его работы заинтересовали Мэтью Боултона (Matthew Boulton), инженера и богатого фабриканта, владельца металлообрабатывающего завода в местечке Сохо под Бирмингемом. В 1775 г. Уатт и Боултон заключили соглашение о партнерстве.В 1781 г. Джеймс Уатт получил патент на изобретение второй модели своей машины. Среди новшеств, внесённых в неё и в последующие модели, были:
* цилиндр двойного действия, в котором пар подавался попеременно по разные стороны от поршня, при этом отработанный пар поступал в конденсатор;* жаровая рубашка, окружавшая рабочий цилиндр для снижения тепловых потерь, и золотник;* преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала сначала посредством шатунно-кривошипного механизма, а затем с помощью шестеренчатой передачи, явившейся прообразом планетарного редуктора;* центробежный регулятор для поддержания постоянства числа оборотов вала и маховик для уменьшения неравномерности вращения.В 1782 г. эта замечательная машина, первая универсальная паровая машина «двойного действия», была построена. Крышку цилиндра Уатт 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, создавая вакуум с противоположной стороны цилиндра. Поэтому поршень совершал и рабочий и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах.
Кроме того, в 1782 г. Джеймс Уатт ввел принцип расширительного действия, разделяя поток пара в цилиндре в начале его течения так, что он начинал расширяться остальную часть цикла под своим собственным давлением. Расширительное действие означает некоторую потерю в мощности, но выигрыш в «производительности». Из всех этих идей Уатта самой полезной была идея расширительного действия. В дальнейшем её практическом внедрении очень помогла индикаторная диаграмма, созданная около 1790 г. помощником Уатта Джеймсом Саузерном.Индикатор был самопишущим устройством, который можно было присоединять к двигателю для того, чтобы отмечать давление в цилиндре в зависимости от объема пара, поступающего за данный такт. Площадь под такой кривой была мерой работы, проделанной за данный такт. Индикатор использовали для того, чтобы максимально эффективно настроить двигатель. Эта самая диаграмма впоследствии стала частью знаменитого цикла Карно (Сади Карно, 1796-1832) в теоретической термодинамике.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.
Универсальный паровой двигатель двойного действия с непрерывным вращением (паровая машина Уатта) получил широкое распространение и сыграл значительную роль в переходе к машинному производству.Запатентованная Джеймсом Уаттом «ротативная паровая машина» сначала широко применялась для приведения в действие машин и станков прядильных и ткацких фабрик, а позже и других промышленных предприятий. Это привело к резкому повышению производительности труда. Именно с этого момента англичане отсчитывают начало большой промышленной революции, которая вывела Англию на лидирующее положение в мире.Двигатель Джеймса Уатта годился для любой машины, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самодвижущихся механизмов. Так паровая машина пришла на транспорт (пароход Фултона, 1807 г.; паровоз Стефенсона, 1815 г.). Благодаря преимуществу в средствах передвижения Англия стала ведущей державой мира.В 1785 г. Уатт запатентовал изобретение новой топки котла, и в этом же году одна из 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».
Компания «Боултон и Уатт», созданная в 1775 г., испытала на себе все превратности судьбы, от падения спроса на её продукцию до защиты своих изобретательских прав в судах. Однако с 1783 дела этой компании, монополизировавшей производство паровых машин, пошли в гору. Так Джеймс Уатт стал очень обеспеченным человеком, и помощь «Пневматическому медицинскому институту» Томаса Беддо (Beddoes, Thomas, 1760-1808), с которым он начал сотрудничество в это время, Уатт оказывал весьма и весьма существенную.Не смотря на бурную деятельность по созданию паровых двигателей, Уатт вышел в отставку с занимаемой им должности в университете Глазго только в 1800 г. Через 8 лет после своей отставки он учредил «Приз Уатта» для лучших студентов и преподавателей университета. Университетская техническая лаборатория, в которой он начинал свою деятельность, стала носить его имя. Имя Джеймса Уатта носит и колледж в Гриноке (Шотландия), родном городе изобретателя.
Эволюция паровой машины Дж.Уатта1774 г. Паровойводоотливной насос 1781 г . Паровой двигательс вращающим моментом на валу 1784 г. Паровой двигательдвойного дествия с КШМИнтересно, что в свое время в качестве единицы мощности Уатт предложил такую единицу, как «лошадиная сила». Эта единица измерения дожила и до наших дней. Но в Англии, где Уатта почитают как пионера промышленной революции, решили иначе. В 1882 г. Британская ассоциация инженеров решила присвоить его имя единице мощности. Теперь имя Джеймса Уатта можно прочесть на любой электрической лампочке. Это был первый в истории техники случай присвоения собственного имени единице измерения. С этого случая и началась традиция присвоения собственных имен единицам измерения.
..
p-i-f.livejournal.com
Первым механическим двигателем, нашедшим практическое применение, была
паровая машина. Вначале она предназначалась для использования в заводском
производстве, но позднее паровой двигатель стали устанавливать на
самодвижущихся машинах - паровозах, пароходах, автомобилях и тракторах.
Вплоть до второй половины XVIII века люди использовали для нужд производства
в основном водяные двигатели. Так как передавать механическое движение от
водяного колеса на большие расстояния невозможно, все фабрики приходилось
строить на берегах рек, что не всегда было удобно. Кроме того, для
эффективной работы такого двигателя часто требовались дорогостоящие
подготовительные работы (устройство, прудов, строительство плотин и тому
подобное). Были у водяных колес и другие недостатки: они имели малую
мощность, работа их зависела от времени года и с трудом подавалась
регулировке. Постепенно стала остро ощущаться нужда в принципиально новом
двигателе: мощном, дешевом, автономном и легкоуправляемом. Именно таким
двигателем на целое столетие стала для человека паровая машина.
Идея парового двигателя была отчасти подсказана его изобретателям
конструкцией поршневого водяного насоса, который был известен еще во времена
античности. Принцип его работы был очень прост: при подъеме поршня вверх вода
засасывалась в цилиндр через клапан в его дне. Боковой клапан, соединявший
цилиндр с водоподъемной трубой, в это время был закрыт, так как вода из трубы
также стремилась войти внутрь цилиндра и тем самым закрывала этот клапан. При
опускании поршня он начинал давить на воду в цилиндре, благодаря чему
закрывался нижний клапан и открывался боковой. В это время вода из цилиндра
подавалась вверх по водоподъемной трубе. В поршневом насосе работа,
получаемая извне, расходовалась на продвижение жидкости через цилиндр насоса.
Лишь на рубеже 17 - 18 веков удалось найти способ производить полезную работу
с помощью пара. Пар приводил в действие насос, качавший воду в резервуар.
Вытекая из резервуара и падая на водяное колесо, вода заставляла его
вращаться. Водяное колесо, в свою очередь, приводило в движение заводские
механизмы и машины. Таким образом, и после изобретения парового насоса
непосредственным двигателем рабочих машин оставалось водяное колесо. Прошло
еще немало времени, прежде чем пытливый человеческий ум создал надежный
двигатель, способный непосредственно приводить в действие разнообразные
машины и механизмы. Прошло более чем два столетия, прежде чем появился
двигатель, ставший одной из предпосылок появления нового вида боевых машин -
танков.
I. Паровая машина Сэйвери.
Первая попытка поставить пар на службу человеку была предпринята в Англии в
1698 году: машина Сэйвери предназначалась для осушения шахт и
перекачивания воды. Сам изобретатель назвал ее "огневой машиной" и широко
разрекламировал как "друга шахтеров". Для получения пара, приводившего машину в
действие, требовался огонь, но 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 через выпускную. Затем цикл повторялся, но воду можно было поднимать
только с глубины менее 10,36 м, поскольку в действительности ее выталкивало
атмосферное давление.
II. Паровая машина Дэни Папена.
Первая удачная паровая машина с поршнем была построена французом Дени
Папеном, чье имя чаще ассоциируется с изобретением автоклава, который
имеется сегодня практически в каждом доме в виде кастрюли-скороварки.
В 1674 году Папен построил
пороховой двигатель, принцип действия которого основывался на воспламенении в
цилиндре пороха и перемещении поршня внутри цилиндра под воздействием пороховых
газов. Когда избыток газов выходил из цилиндра через специальный клапан, а
оставшийся газ охлаждался, в цилиндре создавался частичный вакуум, и поршень
возвращался в исходное положение под действием атмосферного давления.
Машина была не очень удачной, но она навела Папена на мысль заменить порох
водой. И в 1698 году он построил паровую машину (в том же году свою
"огненную машину" построил и англичанин Сэйвери). Вода нагревалась внутри
вертикального цилиндра с поршнем внутри, и образовавшийся пар толкал поршень
вверх. Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень опускался вниз под
действием атмосферного давления. Таким образом, посредством системы блоков
паровая машина Папена могла приводить в действие различные механизмы, например
насосы.
III. Томас Ньюкомен и его паровая машина.
Услышав о паровой машине Папена, Томас Ньюкомен, который часто бывал на
шахтах в Вест Кантри, где он работал кузнецом, и лучше чем кто-нибудь другой
понимал, как нужны хорошие насосы для предотвращения затопления шахт, объединил
усилия с водопроводчиком и стекольщиком Джоном Калли в попытке
построить более совершенную модель.
Их первая паровая машина была установлена на угольной шахте в Стаффордшире в
1712 году. Как и в машине Папена, поршень перемещался в вертикальном
цилиндре, но в целом машина Ньюкомена была значительно более совершенной. Чтобы
ликвидировать зазор между цилиндром и поршнем, Ньюкомен закрепил на торце
последнего гибкий кожаный диск и налил на него немного воды. Пар из котла
поступал в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. Но 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 оказалась на
редкость удачной и использовалась по всей Европе более 50 лет. В 1740 году
машина с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняла
работу, которую бригады из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, раньше
выполняли за неделю.
IV. Большая машина Джона Смита.
В 1775 году еще большая машина, построенная Джоном Смитоном
(создателем Эддистоунского маяка), за две недели осушила сухой док в Кронштадте
(Россия). Ранее с использованием высоких ветряков на это уходил целый год.
И тем не менее, машина Ньюкомена была далека до совершенства. Она
преобразовывала в механическую энергию всего лишь около 1 % тепловой энергии
и, как следствие, пожирала огромное количество топлива, что, впрочем, не
имело особого значения, когда машина работала на угольных шахтах.
В целом машины Ньюкомена сыграли огромную роль в сохранении угольной
промышленности: с их помощью удалось возобновить добычу угля во многих
затопленных шахтах.
V. Паровая машина Ползунова.
Проект первой в мире паровой машины, способной непосредственно приводить
в действие любые рабочие механизмы, предложил 25 апреля 1763 года
русский изобретатель И. И. Ползунов, механик на Колывано-Воскресенских
горнорудных заводах Алтая.
Проект попал на стол к начальнику заводов, который одобрил его и отослал в
Петербург, откуда вскоре пришел ответ: "...Сей его вымысл за новое
изобретение почесть должно". Паровая машина Ползунова получила признание.
Ползунов предлагал построить вначале небольшую машину, на которой можно было
бы выявить и устранить все недостатки, неизбежные в новом изобретении.
Заводское начальство с этим не согласилось и решило строить сразу огромную
машину для мощной воздуходувки. Постройку машины поручили Ползунову, в помощь
которому были выделены "не знающие, но только одну склонность к тому имеющие
из здешних мастеровых двое" да еще несколько подсобных рабочих. С этим
"штатом" Ползунов приступил к постройке своей машины. Строилась она год и
девять месяцев. Когда машина уже прошла первое испытание, изобретатель
заболел скоротечной чахоткой и за несколько дней до завершающих испытаний
умер.
Машина Ползунова имела два цилиндра А и В с поршнями а и b, расположенными,
как показано на рисунке. Штоки поршней были соединены цепью, перекинутой через
шкив Н. Движение шкива H передавалось стержням d1 и d2, которые с помощью
«ладоней» L1 и L2 передвигали серповидный маятник f.
Маятник был соединен зубчатыми колесами с механизмом, управляющим кранами L и
g, которые осуществляли попеременный пуск пара и холодной воды в цилиндры.
Когда, например, в цилиндр В подавался пар и поршень b поднимался, то в цилиндр
A впрыскивалась холодная вода и поршень а опускался. Таким образом машина
Ползунова работала непрерывно и все действия в ней проходили автоматически.
23 мая 1766 года ученики Ползунова Левзин и Черницын одни
приступили к последним испытаниям паровой машины. В "Дневной записке" от 4 июля
было отмечено "исправное машинное действие", а 7 августа 1766 года вся
установка - паровая машина и мощная воздуходувка - была сдана в эксплуатацию.
Всего за три месяца работы машина Ползунова не только оправдала все затраты
на ее постройку в сумме 7233 рублей 55 копеек, но и дала чистую прибыль в
12640 рублей 28 копеек. 10 ноября 1766 года котел дал течь, и машина
остановилась. Несмотря на то, что эту неисправность можно было легко
устранить, заводское начальство, не заинтересованное в механизации, забросило
творение Ползунова. В течение последующих тридцати лет машина бездействовала,
а в 1779 году тогдашние управители алтайских заводов отдали распоряжение
машину разобрать, "находящуюся при оной фабрику разломать и лес употребить,
на что годен будет".
VI. Джеймс Уатт. Универсальная паровая машина двойного действия.
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.
www.coolreferat.com
В 1763 г. И.И. Ползунов разработал детальный проект парового двигателя мощностью в 1,8 л.с., а в 1764 г. вместе со своими учениками приступил к созданию «огнедействующей машины». Весной 1766 г. она была практически готова. Из-за скоротечной чахотки самому изобретателю не удалось увидеть свое детище в действии. Испытания паровой машины начались спустя неделю после смерти Ползунова.
Машина Ползунова отличалась от известных в то время паровых двигателей прежде всего тем, что она предназначалась не только для подъема воды, но и для приведения в действие заводских машин — воздуходувных мехов. Это была машина непрерывного действия, чего удалось достичь за счет применения двух цилиндров вместо одного: поршни цилиндров двигались навстречу друг другу и поочередно действовали на общий вал. В своем проекте Ползунов указал все материалы, из которых должна быть изготовлена машина, а также обозначил технологические процессы, которые потребуются при ее сооружении (пайку, литье, полировку). Специалисты утверждают, что докладная записка с изложением проекта отличалась чрезвычайной ясностью мысли и филигранной точностью проведенных расчетов.
По замыслу изобретателя, пар из котла машины подавался в один из двух цилиндров и поднимал поршень до крайнего верхнего положения. После этого в цилиндр из резервуара впрыскивалась охлажденная вода, что приводило к конденсации пара. Под давлением внешней атмосферы поршень опускался, в то время как в другом цилиндре в результате давления пара поршень поднимался. С помощью специального устройства осуществлялись две операции — автоматический впуск пара из котла в цилиндры и автоматическое поступление холодной воды. Система шкивов (специальных колес) передавала движение от поршней к насосам, нагнетавшим воду в резервуар, и воздуходувным мехам.
Проект Ползунова был передан на отзыв президенту Берг-коллегии И.А. Шлаттеру, который отметил его оригинальность. Но высокий чиновник не оценил главного преимущества проекта, заключавшегося в устранении водяного колеса, которое играло роль передаточного звена в аналогичных европейских установках. Крупные заводы строились, как правило, на берегах рек, чтобы силу воды можно было использовать для приведения в движение воздуходувных мехов и молотов для ков» металла. Шлаттер рекомендовал Ползунову возвратиться к старым схемам — комбинации парового котла с водяными колесами. Но это означало, что производство вновь ставилось в зависимость от капризов природы: река могла обмелеть и в этом случае перестать служить людям. Поэтому Ползунов не принял замечания Шлаттера и сконструировал новую установку мощностью в 32 л. е., что для того времени было непревзойденным результатом. Предложенный Ползуновым двигатель мог приводить в действие громадные меха.
Параллельно основной машине изобретатель разработал множество новых деталей, приспособлений и устройств, значительно упрощавших процесс производства. В качестве примера можно привести сконструированный им регулятор прямого действия для поддержания постоянного уровня воды в котле. В процессе испытаний обнаружились серьезные дефекты двигателя: неточная обработка поверхностей используемых цилиндров, неплотность воздуходувных мехов, наличие в металлических деталях раковин и др. Эти огрехи объяснялись тем, что уровень машиностроительного производства на Барнаульском заводе был еще недостаточно высоким. А научные достижения того времени не позволяли точно рассчитать необходимое количество охлаждающей воды. Тем не менее все недостатки были решены, и в июне 1766 г. была успешно испытана установка с мехами, после чего началось строительство печей.
В августе 1766 г., через несколько дней после смерти И.И. Ползунова, установка была запущена. Машина себя полностью окупила в кратчайший срок: за 43 дня работы была получена прибыль в 12418 рублей (и это при использовании всего трех печей!). Но вскоре котел, сооруженный лишь для пробного пуска, дал течь, работу машины остановили. Потребовались средства, чтобы заказать новый котел. К тому же, несмотря на успешные испытании. руководители канцелярии Колывано-Воскресенских заводов еще сомневались в работоспособности паровой машины. У них не было уверенности и в готовности Барнаульского завода к постройке мощных паросиловых агрегатов. Машину снова оставили на неопределенное время, в 1780 г. разобрали на отдельные части до «будущей надобности». Имя талантливого русского механика на долгое время было забыто. После его смерти модель созданного им парового двигателя была передана в Академию наук, но не сохранилась для потомков.
Такая судьба была характерна для многих русских изобретений этого времени. Это было связано не только (и не столько) бездушием чиновников. И недальновидностью властей. Историки объясняют отсутствие потребности в паровой машине на тот момент социально-экономическим устройством российского общества XVIII в. Труд крепостных крестьян, приписанных к заводам, обходился настолько дешево, что их хозяевам не имело смысла тратиться на приобретение и обслуживание паровой машины. Даже то, что машина окупала эти расходы и приносила прибыль, не выглядело для них привлекательным. (По-другому обстояли дела в Западной Европе. Там за труд свободных рабочих хозяевам предприятий приходилось платить значительную цену, что сокращало размер прибыли. Паровая машина, изобретенная Джеймсом Уаттом, сразу нашла применение в развитых странах. И в этом случае действовал простой расчет: машина заменяла труд многих работников. Владельцы заводов получили прибыль за счет экономии рабочей силы.)
Хотя никто из современников Ползунова не оценил по достоинству важность его замыслов и полученных им практических результатов, запуск заводских агрегатов от тепловых двигателей (без помощи силы воды) был непревзойденным новшеством для того времени. И все же честь изобретения первого мире двухцилиндрового двигателя и первой в России паровой машины непрерывного действия принадлежит Ивану Ивановичу Ползунову. Его первенство в этой области никем не оспаривается. А в основу работы современных многоцилиндровых двигателей положен принцип, примененный Ползуновым (действие нескольких цилиндров на одном валу).
100 великих русских изобретений, Вече 2008
rus-eng.org
Вплоть до второй половины XVIII века люди использовали для нужд производства в основном водяные двигатели. Так как передавать механическое движение от водяного колеса на большие расстояния невозможно, все фабрики приходилось строить на берегах рек, что не всегда было удобно. Кроме того, для эффективной работы такого двигателя часто требовались дорогостоящие подготовительные работы (устройство прудов, строительство плотин и тому подобное). Были у водяных колес и другие недостатки: они имели малую мощность, работа их зависела от времени года и с трудом поддавалась регулировке. Постепенно стала остро ощущаться нужда в принципиально новом двигателе: мощном, дешевом, автономном и легкоуправляемом. Именно таким двигателем на целое столетие стала для человека паровая машина.
Идея парового двигателя была отчасти подсказана его изобретателям конструкцией поршневого водяного насоса, который был известен еще во времена античности.
Принцип его работы был очень прост: при подъеме поршня вверх вода засасывалась в цилиндр через клапан в его дне. Боковой клапан, соединявший цилиндр с водоподъемной трубой, в это время был закрыт, так как вода из этой трубы так же стремилась войти внутрь цилиндра и тем самым закрывала этот клапан. При опускании поршня он начинал давить на воду в цилиндре, благодаря чему закрывался нижний клапан и открывался боковой. В это время вода из цилиндра подавалась вверх по водоподъемной трубе. В поршневом насосе работа, получаемая извне, расходовалась на продвижение жидкости через цилиндр насоса. Изобретатели паровой машины старались использовать ту же конструкцию, но только в обратном направлении. Цилиндр с поршнем лежит в основе всех паровых поршневых двигателей. Первые паровые машины, впрочем, были не столько двигателями, сколько паровыми насосами, используемыми для откачки воды из глубоких шахт. Принцип их действия основывался на том, что после своего охлаждения и конденсации в воду пар занимал пространство в 170 раз меньше, чем в разогретом состоянии. Если вытеснить из сосуда воздух разогретым паром, закрыть его, а потом охладить пар, давление внутри сосуда будет значительно меньше, чем снаружи. Внешнее атмосферное давление будет сжимать такой сосуд, и если в него поместить поршень, он будет двигаться внутрь с тем большей силой, чем больше его площадь.
Впервые модель такой машины была предложена в 1690 году Папеном. В 1702 году создал свой насос Севери. Но наиболее широко применялась в первой половине XVIII века паровая машина Ньюкомена, созданная в 1711 году.
Паровой цилиндр помещался у Ньюкомена над паровым котлом. Поршневой шток (стержень, соединенный с поршнем) был соединен гибкой связью с концом балансира. С другим концом балансира был соединен шток насоса. Поршень поднимался в верхнее положение под действием противовеса, прикрепленного к противоположному концу балансира. Кроме того, движению поршня вверх помогал пар, запускаемый в это время в цилиндр. Когда поршень находился в крайнем верхнем положении, закрывали кран, впускавший пар из котла в цилиндр, и вбрызгивали в цилиндр воду. Под действием этой воды пар в цилиндре быстро охлаждался, конденсировался, и давление в цилиндре падало. Вследствие создавшейся разницы давлений внутри цилиндра и вне его, силой атмосферного давления поршень двигался вниз, совершая при этом полезную работу — приводил в движение балансир, который двигал шток насоса. Таким образом, полезная работа выполнялась только при движении поршня вниз. Затем снова запускали пар в цилиндр. Поршень опять поднимался вверх, и весь цилиндр наполнялся паром. Когда снова вбрызгивали воду, пар снова конденсировался, после чего поршень совершал новое полезное движение вниз, и так далее. Фактически в машине Ньюкомена работу совершало атмосферное давление, а пар служил только для создания разряженного пространства.
В свете дальнейшего развития парового двигателя становится ясным основной недостаток машины Ньюкомена — рабочий цилиндр в ней являлся в то же время и конденсатором. Из-за этого приходилось поочередно то охлаждать, то нагревать цилиндр, и расход топлива оказывался очень велик. Бывали случаи, когда при машине находилось 50 лошадей, едва успевавших подвозить необходимое топливо. Коэффициент полезного действия (КПД) этой машины едва ли превышал 1%. Другими словами, 99% всей теплотворной энергии терялось бесплодно. Тем не менее эта машина получила в Англии распространение, особенно на шахтах, где уголь был дешевый. Последующие изобретатели внесли несколько усовершенствований в насос Ньюкомена. В частности, в 1718 году Бейтон придумал самодействующий распределительный механизм, который автоматически включал или отключал пар и впускал воду. Он же дополнил паровой котел предохранительным клапаном.
Но принципиальная схема машины Ньюкомена оставалась неизменна на протяжении 50 лет, пока ее усовершенствованием не занялся механик университета в Глазго Джемс Уатт. В 1763-1764 годах ему пришлось чинить принадлежавший университету образец машины Ньюкомена. Уатт изготовил небольшую ее модель и принялся изучать ее действие. При этом он мог использовать некоторые приборы, принадлежавшие университету, и пользовался советами профессоров. Все это позволило ему взглянуть на проблему шире, чем смотрели на нее многие механики до него, и он смог создать гораздо более совершенную паровую машину.
Работая с моделью, Уатт обнаружил, что при запускании пара в охлажденный цилиндр он в значительном количестве конденсировался на его стенках. Уатту сразу стало ясно, что для более экономичной работы двигателя целесообразнее держать цилиндр постоянно нагретым. Но как в этом случае конденсировать пар? Несколько недель он раздумывал, как разрешить эту задачу, и наконец сообразил, что охлаждение пара должно происходить в отдельном цилиндре, соединенном с главным короткой трубкой. Сам Уатт вспоминал, что однажды во время вечерней прогулки он проходил мимо прачечной и тут при виде облаков пара, вырывавшихся из окошка, он догадался, что пар, будучи телом упругим, должен устремляться в разряженное пространство. Как раз тогда ему пришла мысль, что машину Ньюкомена надо дополнить отдельным сосудом для конденсации пара. Простой насос, приводимый в движение самой машиной, мог удалять из конденсатора воздух и воду, так что при каждом ходе машины там бы могло создаваться разряженное пространство.
Вслед за тем Уатт внес еще несколько усовершенствований, в результате чего машина приняла следующий вид. К обеим сторонам цилиндра были подведены трубки: через нижнюю пар поступал внутрь из парового котла, через верхнюю отводился в конденсатор. Конденсатор представлял собой две жестяные трубки, стоявшие вертикально и сообщавшиеся между собой вверху короткой горизонтальной трубкой с отверстием, перекрывавшимся краном. Дно этих трубок было соединено с третьей вертикальной трубкой, которая служила воздушным отводным насосом. Трубки, составлявшие холодильник и воздушный насос, были помещены в небольшой цилиндр с холодной водой. Паровая трубка была соединена с котлом, из которого пар выпускался в цилиндр. Когда пар заполнял цилиндр, паровой кран закрывали и поднимали поршень воздушного насоса конденсатора, вследствие чего в трубках конденсатора получалось сильно разряженное пространство. Пар устремлялся в трубки и конденсировался там, а поршень поднимался вверх, увлекая за собой груз (так измеряли полезную работу поршня). Затем выпускной кран закрывали.
В 1768 году на основе этой модели на шахте горнозаводчика Ребука была построена большая машина Уатта, на изобретение которой он получил в 1769 году свой первый патент. Самым принципиальным и важным в его изобретении было разделение парового цилиндра и конденсатора, благодаря чему не затрачивалась энергия на постоянный разогрев цилиндра. Машина стала более экономичной. Ее КПД увеличился.
Несколько последующих лет Уатт упорно трудился над совершенствованием своего двигателя. При этом ему пришлось преодолеть множество затруднений как финансового, так и технического порядка. Он вошел в компанию с владельцем металлообрабатывающего завода Болтоном, который обеспечил его деньгами. Были и другие проблемы: двигатель требовал герметичности и точнейшей подгонки деталей друг к другу. Поршень и цилиндр должны были идеально подходить по своим размерам, чтобы не допускать утечки пара. Такая точность была в новинку для машиностроения тех времен, не было даже необходимых точных станков. Выточка цилиндров большого диаметра представлялась почти неразрешимой проблемой. В результате первые машины Уатта работали неудовлетворительно: из цилиндра вырывался пар, конденсаторы действовали плохо, пар свистел через отверстие, в котором двигался поршневой шток, просачивался между стенками поршня и цилиндра.
Пришлось создавать специальные станки для расточки цилиндров. (Вообще, создание паровой машины положило начало настоящей революции в станкостроении — чтобы освоить производство паровых двигателей, машиностроению пришлось подняться на качественно более высокий уровень.) Наконец все трудности были преодолены, и с 1776 года началось фабричное производство паровых машин. В машину 1776 года по сравнению с конструкцией 1765 года было внесено несколько принципиальных улучшений. Поршень помещался внутри цилиндра, окруженный паровым кожухом (рубашкой). Благодаря этому была до минимума сокращена потеря тепла. Кожух сверху был закрыт, тогда как цилиндр — открыт. Пар поступал в цилиндр из котла по боковой трубе. Цилиндр соединялся с конденсатором трубой, снабженной паровыпускным клапаном. Несколько выше этого клапана и ближе к цилиндру был размещен второй, уравновешивающий клапан. Когда оба клапана были открыты, пар, выпущенный из котла, наполнял все пространство над поршнем и под ним, вытесняя воздух по трубе в конденсатор. Когда клапаны закрывали, вся система продолжала оставаться в равновесии. Затем открывали нижний выпускной клапан, отделяющий пространство под поршнем от конденсатора. Пар из этого пространства направлялся в конденсатор, охлаждался здесь и конденсировался. При этом под поршнем создавалось разряженное пространство, и давление падало. Сверху же продолжал оказывать давление пар, поступавший из котла. Под его действием поршень спускался вниз и совершал полезную работу, которая при помощи балансира передавалась штоку насоса. После того как поршень опускался до своего крайнего нижнего положения, открывался верхний, уравновешивающий, клапан. Пар снова заполнял пространство над поршнем и под ним. Давление в цилиндре уравновешивалось. Под действием противовеса, расположенного на конце балансира, поршень свободно поднимался вверх (не выполняя при этом полезной работы). Затем весь процесс продолжался в той же последовательности. Хотя эта машина Уатта, так же как и двигатель Ньюкомена, оставалась односторонней, она имела уже важное отличие — если у Ньюкомена работу совершало атмосферное давление, то у Уатта ее совершал пар. Увеличивая давление пара, можно было увеличить мощность двигателя и таким образом влиять на его работу. Впрочем, это не устраняло основного недостатка такого типа машин — они совершали только одно рабочее движение, работали рывками и потому могли использоваться только как насосы. В 1775-1785 годах было построено 66 таких паровых двигателей.
Для того, чтобы паровой двигатель мог приводить в действие другие машины, необходимо было, чтобы он создавал равномерное круговое движение. Принципиальное отличие такой машины состояло в том, что поршень должен был совершать два рабочих движения — и вперед и назад. Такой двигатель двойного действия был разработан Уаттом в 1782 году. Пар здесь выпускался то с одной, то с другой стороны поршня, причем пространство на стороне, противоположной впуску пара, соединялось каждый раз с конденсатором. Эта задача была разрешена с помощью остроумной системы отводных труб, закрывавшихся и открывавшихся с помощью золотника.
Золотник представлял собой задвижку, которая перемещалась перед двумя отверстиями для пропускания пара. При каждом ходе задвижки в одну или другую сторону открывалось одно отверстие и закрывалось другое, вследствие чего переменялся путь, по которому мог проходить пар. Движение золотника имело сложный характер при каждом крайнем положении, когда одно отверстие открыто, а другое закрыто, он должен был останавливаться на некоторое время, чтобы пропустить порцию пара, а среднее положение проходить как можно быстрее. Движением золотника управлял особый механизм, расположенный на валу. Главной частью в нем был эксцентрик.
Эксцентрик, изобретенный Уаттом, состоял из пластины особой формы, сидящей на оси, находящейся не в центре этой пластины, а на некотором расстоянии от него. При таком креплении на одной стороне оси находилась большая часть пластины, чем на другой. Сама пластина была охвачена кольцом, к которому крепилась тяга, движущая золотник. Во время вращения пластины ее округлость постоянно давила на новую точку внутри поверхности кольца и своей более широкой стороной приводила его в движение. Вместе с каждым поворотом вала происходил один ход золотника. Характер вращения кольца (и соответственно движение тяги) зависел от того, какой формы пластина вставлена в эксцентрик. Путем расчетов была подобрана такая форма, которая во время одного оборота обусловливала то ускорение, то замедление, то остановку золотника. Введением этого приспособления Уатт сделал работу своей машины полностью автоматической.
В первое время за работой двигателя наблюдал рабочий, в обязанность которого входило регулировать подачу пара. Если двигатель начинал давать слишком большие обороты, он специальной заслонкой несколько перекрывал парораспределительную трубу и тем уменьшал давление пара. Затем эта функция была возложена на особый центробежный регулятор, устроенный следующим образом. Движение рабочего вала передавалось шкиву регулятора. Когда последний начинал вращаться слишком быстро (а следовательно, чрезмерно возрастало число оборотов двигателя), шары регулятора поднимались вверх под действием центробежной силы и приводили в движение муфту клапана и рычаг, который ограничивал количество пара. При уменьшении числа оборотов шары опускались и клапан приоткрывался.
С учетом работы всех этих устройств легко представить общий принцип действия машины. Из парового котла пар по трубе проходил в пространство b, а оттуда вследствие движения золотника направлялся в цилиндр то над поршнем B, то под ним. Когда пар вступал в пространство над поршнем последний опускался, а попав под поршень, поднимал его. В паровой трубке находился клапан который пропускал, смотря по надобности, больше или меньше пара. Положение клапана регулировалось паровым центробежным регулятором f. На главном валу сидел эксцентрик e, стержень которого SS проходил по другую сторону машины под коробку золотника и с помощью рычага то поднимал, то опускал золотник. Движение поршня B передавалось штоку O, который совершенно плотно проходил в крышку цилиндра, а от него — к подвижному коромыслу. На противоположном конце коромысла находилась часть G, которая захватывала снизу кривошип главного вала K. Таким образом, при каждом восхождении и нисхождении поршня происходил один оборот этого вала и сидящего на нем маховика L. Сила передавалась от главного вала с помощью ремней или других средств туда, где ею должны были пользоваться. В нижней части машины находился конденсатор. Он состоял из резервуара, наполненного водой, которая постоянно возобновлялась с помощью насоса q, и бака D, где происходила конденсация. Холодная вода не только окружала бак, но и вбрызгивалась в него через множество мелких отверстий. Спущенная горячая вода постоянно выкачивалась с помощью водяного насоса C. Теплая вода поступала в ящик и с помощью насоса Mm вновь выкачивалась в паровой котел.
Создание механизма передающего движение от поршня к валу, потребовало, от Уатта огромных усилий. Многие разрешенные им задачи вообще находились на границе технических возможностей того времени. Одна из проблем заключалась в создании необходимой герметичности. В цилиндре с двойным действием, в отличие от цилиндра с одиночным действием, обе стороны должны были быть плотно закрыты. Но так как поршень должен был иметь связь с внешними частями, то в крышке оставляли круглое отверстие, в котором совершенно плотно ходил шток (стержень) поршня. Уатт придумал вкладывать в крышку крепко свинченный толстый слой намасленной пакли, по которой стержень скользил, не касаясь металла цилиндра. Причем стержень из-за своей гладкости терся очень мало. Другая проблема заключалась в самом механизме преобразования движения: ведь для передачи полезной работы, проделываемой поршнем при его движении вверх, необходимо было, чтобы шток поршня жестко соединялся с балансиром. На всех предыдущих паровых двигателях они соединялись цепью. Теперь приходилось думать над тем, как жестко связать между собой шток, двигавшийся прямолинейно, и конец балансира, перемещавшийся по дуге. Уатт добился этого, создав особое передающее устройство, которое так и называется параллелограммом Уатта.
Конец коромысла A был соединен здесь шарнирно тягой ADB с точкой B рычага BC, соединенного точкой C с какой-нибудь неподвижной частью двигателя. Таким образом, вся система имела две неподвижные точки вращения: центр балансира, вокруг которой совершал колебательные движения балансир, и точки C, вокруг которой вращался рычаг CB. Точка A на конце балансира и точка B на конце рычага CB совершали движение по дугам, описанным из центра балансира и из точки C. При этом точка D на тяге ADB, соединяющей точки A и B, совершала движения очень близкие к вертикальным и прямолинейным. Эта точка и была соединена со штоком поршня. Впоследствии Уатт усовершенствовал это передающее устройство, получив две точки, соединяющие прямолинейное движение. Одну из них он соединил со штоком поршня, а другую — со штоком вспомогательного насоса, обслуживающего двигатель. Создание этого передаточного устройства потребовало от Уатта столько усилий, что он считал его своим величайшим изобретением. Он писал: «Хотя я не особенно забочусь о своей славе, однако горжусь изобретением параллелограмма более, чем каким-либо из других моих изобретений».
Затем колебательные движения балансира преобразовывались с помощью кривошипа во вращательное (поскольку кривошипный механизм был запатентован Пикаром, в первых машинах Уатта колебательное движение балансира во вращательное преобразовывалось с помощью созданного Уаттом солнечно-планетарного механизма, как только патент Пикара истек, стали применять кривошипную передачу). Благодаря полученному в результате всех этих преобразований вращательному движению рабочего вала новый двигатель Уатта годился для привода других рабочих машин. Это позволило ему сыграть революционную роль в развитии крупной машинной индустрии. За 1785-1795 годы было выпущено 144 таких паровых двигателя, а к 1800 году в Англии функционировала уже 321 паровая машина Уатта. Их применяли буквально во всех сферах производства.
Великое творение Уатта было по достоинству оценено современниками и потомками. После смерти изобретателя в 1819 году английский парламент почтил его память сооружением мраморного памятника в Вестминстерском аббатстве.
Пожалуйста оцените материал:
www.dmitrysmor.ru
