История паровых машин

Статья опубликована 19.05.2014 05:36

Последняя правка произведена 19.05.2014 05:58

Паровая машина

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

Первые наработки.

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

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

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

Применение паровых машин на практике.

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

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

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

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

Превью — увеличение по клику.

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

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

эолипил Герона – одна из величайших забытых паровых машин в истории

Как Геронов шар стал началом развития паровых двигателей, которые изменили мир.

Почти за 1800 лет до начала промышленной революции древний инженер по имени Герон создал первый в мире паровой двигатель.

В давние времена культурная столица Римской империи Александрия, расположенная на средиземноморском побережье Египта, была местом зарождения и развития новых религий. Но именно здесь берет свое начало уникальное изобретение, которое в последующем перевернет мир. Речь идет о паровой машине Герона, созданной в 69 году н.эры.

Спустя почти полвека после правления Цезаря Августа империя приближалась к своему историческому пику, и новые религиозные течения начали проникать на ее территорию площадью 2,2 миллиона квадратных миль.

В городе быстро зарождались разнообразные мистические культы, практиковались новые формы поклонения и даже создавались совершенно новые боги из плавильного котла римских, греческих и египетских верований.

При таком количестве храмов, претендующих на звание истинных проводников божественной сущности, конкуренция за последователей была жесткой. Чтобы выделиться и привлечь внимание, греческие священники обратились к Герону, также известному как «механикос» («человек-машина»), с просьбой о разработке механизмов, демонстрирующих разные небесные и «божественные» явления.

^Wikipedia

Но грек-вундеркинд не полагался на благосклонность своего пантеона богов для создания невозможного. Вместо этого он использовал науку и инженерию, которые потом выпадут из поля зрения на многие сотни лет.

В древних храмах Герон применил силу гидравлики и пара, создавая поющих птиц, вспышки пламени и движущихся статуй в надежде внушить богобоязненным гражданам религиозный трепет.

В процессе создания таких рукотворных чудес он изобрел нечто, что изменило мир, – эолипил, также известный как Геронов шар или турбина. Это была, по сути, первая в мире паровая машина.

Кем был человек, стоящий за машинами

^Wikipedia

Герон – своего рода историческая загадка. Исследователи полагают, что он, скорее всего, был греческого происхождения и жил примерно в 10-70 годах нашей эры.

Будучи студентом, он любил исследовать полки огромной библиотеки в Александрийском университете и находился под сильным влиянием работ Ктесибия Александрийского – еще одного греческого изобретателя в птолемеевском Египте.

Став взрослым, он писал работы по математике и инженерии, которые были наполнены идеями, на столетия опередившими свое время. Эти книги включали в себя пошаговые схемы и подробные объяснения и, вероятно, разрабатывались как лекции или пособия, что свидетельствует о том, что Герон почти наверняка был преподавателем в Александрийском университете.

Он изобрел первую в мире монетную машину, использовавшуюся для раздачи вина в храмах, а также пожарную машину, водяной орган, разные механизмы для театра и механический «зверинец», демонстрировавший поющих птиц и кукол-марионеток.

К сожалению, большинство его работ было уничтожено во время разрушения Александрийской библиотеки, но некоторые сохранились благодаря арабским рукописям.

Вот еще несколько удивительных изобретений Герона:

торговый автомат – первый в мире аппарат, продававший святую воду. Посетители храма вставляли монету в машину Герона, та падала на рычаг, клапан открывался и позволял воде вытекать.

автоматическая дверь – устройство автоматического открывания дверей, которое с помощью тепла и пневматики «волшебным образом» открывало двери храма.

орган с ветровым приводом – музыкальный инструмент, использовавший небольшое ветряное колесо для приведения в действие поршня и нагнетания воздуха через органные трубы, создавая звуки, похожие на трели флейты. Это устройство считается первой ветряной машиной.

«роботы» – в 60 году нашей эры Герон сконструировал первых в мире программируемых роботов для развлечения театральной публики. Он даже создал полностью механическую десятиминутную пьесу, приводимую в движение системой веревок, узлов и простых механизмов.

формула Герона – выдающийся изобретатель был не менее талантливым математиком. Он придумал новый метод вычисления площади треугольника, который впоследствии ученые стали называть «формулой Герона».

Как видим, вклад этого человека в инженерное дело, науку и технологии просто потрясающий. В семи книгах, переживших сгоревшую Библиотеку, древний изобретатель исследует концепции автоматов, боевых машин, приводит формулы для вычисления площади и объема, а также рассуждает о природе света.

Но самая известная его работа – двухтомник под общим названием «Пневматика». Это одно из первых в мире исследований пара и гидравлической энергии, и на всех страницах автор использует религиозные статуи и иконографию в качестве примеров своих механических идей.

Одна из таких статуй, «Фигура 11: Возлияния у алтаря», демонстрирует женщину с кувшином и мужчину с чашей. Между ними алтарь, на котором поклоняющийся может зажечь огонь, а под их ногами находится камера с вином.

Как только прихожанин зажжет алтарь, по словам Герона, «воздух внутри опустится и окажет давление на содержащуюся внутри жидкость, которая, не имея другого пути к отступлению, пойдет через расположенные в статуях трубы, и возлияния не прекратятся, пока огонь не будет потушен». Позже в «Пневматике» Герон адаптирует ту же систему к дверям храма, заставляя их открываться.

Эолипил — паровая турбина

 ^{1Gai.Ru / STAFF}

В работах Герона много потрясающих вещей, но что действительно изменило мир, так это эолипил (Геронов шар).

Слово, обозначающее «ветряной шар» (в буквальном переводе «шар бога ветров Эола»), стало названием особого устройства – первого в мире зарегистрированного образца парового двигателя, или реактивной паровой турбины. «С современной точки зрения устройство Герона является демонстрацией принципа ракеты, то есть реактивной силы – сфера вращается в ответ на эмиссию (выброс) пара», – объясняет Пол Кейзер, специалист по древней технике.

^{wikipedia.org}

Механизм состоял из полой сферы, установленной так, чтобы иметь возможность вращаться, когда пар выходил из двух выпускных отверстий, расположенных на экваторе котла. Наполовину заполненная водой сфера приходила в движение, как только под ней зажигался огонь: крутящий момент создавался непосредственно за счет образующегося пара.

^Youtube

Практическое применение эолипила Герона неизвестно, но большинство экспертов считают, что наряду с другими игрушками и изобретениями, описанными в «Pneumatica», он использовался для развлечения и вызывания ощущения чуда у зрителей. В его трудах нет четкого описания возможного использования прибора – Герон просто рассказывает, как его построить и как он работает.

Гарри Китсикопулус из Нью-Йоркского университета в своей книге «Инновации и распространение технологий: экономическая история ранней паровой энергии» рассуждает о том, что модифицированную версию эолипила могли использовать для создания храмовых чудес.

«К примеру, когда котел, спрятанный в полой фигуре идола, начнет производить пар и выводить его через трубку, проходящую через нос или рот… – пишет ученый, – выходящий пар создаст впечатление дышащей фигуры, вызывая у зрителей священный трепет».

Немало дебатов впоследствии велось вокруг «шара». Даже высказывались сомнения в том, действительно ли Герон был первым, кто изобрел эолипил. И небезосновательно. К примеру, кумир Герона, Ктесибий (285 г. до н. э. – 222 г. до н. э.) написал несколько трактатов о природе сжатого воздуха и его использовании в насосах.

Позже Витрувий (около 80 г. до н. э. – 15 г. до н. э.) описал устройство, тоже называемое эолипилом, которое состояло из металлического шара, частично заполненного водой и помещенного над огнем для производства пара, вытесняемого из отверстия наверху.

Но он не описывает никаких движущихся частей, что является ключевым отличием от видения Герона, к тому же определяет свой эолипил в «De Architectura» как «научное изобретение для открытия божественной истины, кроющейся в законах небес». Эксперты уверены, что прибор, скорее всего, использовался для понимания погодных явлений и образования облаков.

Хотя эолипил Герона основывался на фундаментальной науке, лежащей в основе паровой энергии, он был довольно далек от двигателей, о которых европейцы мечтали в 17 веке. В качестве двигателя эолипил производил крайне незначительный крутящий момент, и метод его работы был неэффективным.

«Отсутствие надлежащей материальной базы надолго задержало использование пара для выполнения тяжелой работы, и никто не мог построить котел, способный выдерживать большое давление, примерно до середины 1700-х годов», – пишет Грегори Янг, который во время своего пребывания в должности инструктора и техника в Smith College помогал с созданием действующего эолипила.

Изобретение, опередившее свое время, не вписалось в римское общество. Имея в изобилии рабскую силу, император не видел необходимости в разработке машин, способных заменить бесплатно эксплуатируемых людей.

То же самое относилось к остальной Европе на протяжении веков, пока промышленная революция не вытолкнула мировой спрос за пределы средств производства. Только тогда пригодились паровые машины, способные компенсировать слабину.

Это только начало

^{Джеймс Уатт в молодости со своим ранним паровым двигателем.}

Полторы тысячи лет эолипил вместе с остальными уникальными творениями Герона оставался забытым. В Европе шли темные века.

Позже, в эпоху Возрождения, когда католическая церковь ослабила жесткую хватку на горле науки, «magnum opus» Герона вернулись к жизни. Сообщается, что в 1543 году Бласко де Гарай, ученый и капитан испанского флота, представил императору Священной Римской Империи устройство, которое, как он утверждал, могло двигать корабли в отсутствие ветра.

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.

Знание испанца о давно забытом «героновом шаре» в то время было бы удивительным, но не невозможным. Несколько лет спустя в мире, начиная с Италии, появилось множество переводов «Pneumatica», в том числе Болонское издание 1547 года.

Хронология развития паровых двигателей

 ^Wikipedia

Постепенно «Пневматика» расходилась по Европе. Саломон де Косс, французский гугенот и инженер, которому тоже приписывали изобретение паровой машины, в свое время прочитал трактат Герона в Италии.

Ознакомился с ним и немецкий теолог Мальтезий, упомянувший эолипил в одной из своих проповедей в 1571 году. К 1640-м годам научный труд пережил пять переизданий в одной только Англии. Вторая половина 16 века ознаменовалась повторным открытием энергии пара, и инженеры по всей Европе занялись активным поиском ее применения в механике.

Благодаря популяризации работ Герона эолипилы стали довольно распространенными, и люди использовали их для плавления стекла и металла, разжигания очагов в домах и улучшения тяги дымоходов.

Затем, в 1689 году, английский изобретатель Томас Севери разработал первый в мире современный паровой двигатель в виде насоса для удаления воды из шахт. Его устройство, использующее два паровых котла, обеспечивало почти непрерывную откачку.

Однако успех длился недолго – вскоре было обнаружено, что система Севери работает только на мелководье. В 1711 году другой британец, Томас Ньюкомен, усовершенствовал конструкцию, добавив отдельный цилиндр с поршнем. Его система устранила необходимость в накопленном давлении пара.

Паровой двигатель Ньюкомена оставался бессменным в течение следующих 50 лет и использовался для осушения водно-болотных угодий и подачи воды в города, а также для питания энергией фабрик и заводов.

Несмотря на свое превосходство, двигатель Ньюкомена не был лишен недостатков – в частности, того, что он потребляет огромное количество пара. Недочет был исправлен в 1769 году шотландским экспериментатором Джеймсом Уаттом, который предложил свой способ поддерживать постоянную температуру в паровом цилиндре. Улучшение Ватта привело к быстрому распространению паровой энергии в Великобритании и США, положив начало промышленной революции.

Помимо прочего, некоторые версии его двигателя использовались в ранних автомобилях и поездах. К 1800-м годам пар питал большинство мельниц, дробилок, пивоварен, заводов и фабрик. Эта технология заложила основу того техномира, который мы видим сегодня.

Эолипил как по внешнему виду, так и по функциям, конечно, сильно отличался от паровых машин будущего. Вместо применения в повседневной жизни Герон использовал силу пара для мистификации и просвещения. Он не знал, что идеи, заложенные в его изобретениях, однажды изменят мир.

Краткая история развития паровых двигателей в истории мира

62 год нашей эры: Герон экспериментирует с паровой силой и создает эолипил.

^Wikipedia

 Это первый в мире известный паровой двигатель. Правда его истинное назначение до сих пор неизвестно.

1679 год: паровой котел Дени Папина

 ^{GETTY IMAGES}

Французский изобретатель Дени Папен строит первый в мире паровой котел. Он добавляет в устройство клапан, чтобы оно не взорвалось. Так на свет появилась концепция поршневого цилиндра с использованием пара.

1689 год: Паровой насос Томаса Севери

^Wikipedia

Английский изобретатель Томас Савери в 1689 году запатентовал машину, которая могла эффективно извлекать воду из затопленных шахт с помощью давления пара.

1711 год: паровая машина Томаса Ньюкомена

 ^{UNIVERSAL HISTORY ARCHIVE}

Томас Савери и Томас Ньюкомен объединяют усилия для создания двигателя, перекачивающего пар.

1765 год: паровая машина Джеймса Уатта

 ^{UNIVERSALIMAGESGROUP}

Инженер из Шотландии, Джеймс Уатт, в 1765 году усовершенствовал конструкцию паровой машины Томаса Ньюкомена, добавив в конструкцию отдельный цилиндр для холодной воды, чтобы машина не тратила энергию на нагрев и охлаждение поршневого цилиндра.

1769 год: паровая тележка Николы Жозефа Кюньо

 ^{GETTY IMAGES}

Паровая тележка Кюньо, первое транспортное средство в мире, передвигающееся с использованием энергии пара, построено во Франции. Для увеличения мощности этого транспортного средства, было необходимо останавливать тележку каждые 15 минут.

1804 год: первый рельсовое транспортное средство, которое создал Ричард Тревитик

 ^{GETTY IMAGES}

Изобретатель из Британии, Ричард Тревитик, разработал компактный паровой двигатель (а значит более легкий) для первого в мире рельсового дорожного экипажа. 

1807 год: первый в мире пароход «Клермонт», который создал Роберт Фултон

 ^{GETTY IMAGES}

На изображении: первая в мире паровая лодка, созданная американским изобретателем Робертом Фултоном, отправляется в свое первое плавание по реке Гудзон. Корабль успешно справлялся с водными течениями благодаря паровой машине.

1819 год: гибридный корабль «Саванна»

 ^Wikipedia

Этот корабль становится первым пароходом, пересекшим Атлантику, используя сочетание мощности пара и парусов.

1829 год: паровой локомотив Rocket братьев Джорджа и Роберта Стефенсонов

 ^{GETTY IMAGES}

В 1819 году эта паровая машина установил рекорд скорости в 47 км / ч (29 миль в час) на испытаниях, проходивших недалеко от Ливерпуля.

1867 год: паровой котел «Бэбкок энд Уилкокс»

 ^{GETTY IMAGES}

Джордж Бэбкок и Стивен Уилкокс изобрели водотрубный паровой котел. 

1884-1897 года: паротурбинные генераторы Чарлза Парсонса

 ^{GETTY IMAGES}

Чарльз Алджернон Парсонс разрабатывает паротурбинный генератор, способный производить большое количество электроэнергии. Генератор используется для питания больших кораблей, включая «Титаник».

1911 год: геотермальный двигатель-генератор Джинори Конти

 ^{ENEL GREEN POWER}

Ученые из Лардарелло, Италия, во главе с Пьеро Джинори Конти, открыли «геотермальную» энергию или так называемый «сухой пар» и построили первую геотермальную электростанцию.

1954 год: Обнинская АЭС

 ^{GETTY IMAGES}

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.

^{Обложка: 1Gai.Ru}

^{Источник: Why Heron’s Aeolipile Is One of History’s Greatest Forgotten Machines}

Смотрите также

10 автомобилей сделанных до появления первого Mercedes-Benz

Смотрите также

8 самых известных типов двигателей в мире и их отличия

Первая паровая машина. Джеймс Уатт

5 января 1769 года Джеймс Уатт получил патент на свою первую паровую машину.

Изобретение паровой машины стало поворотным моментом промышленной и всеобщей истории человечества. На рубеже XVII-XVIII веков появились предпосылки к замене маломощных и неэффективных живых «двигателей», ветряных мельниц и водяных колес на механизмы совершенно нового типа — паровые машины. Именно паровые двигатели сделали возможным свершение промышленной революции и достижение современного уровня развития техники.

Считается, что первую паровую машину изобрел шотландский механик Джеймс Уатт — ведь не зря же его именем названа международная единица мощности Ватт! Так и хочется сказать: «Виват, вам, Джеймс Уатт, виват!»

Паровая машина в начале предназначалась для использования в заводском производстве, но позднее паровой двигатель стали устанавливать на самодвижущихся машинах — паровозах, пароходах, автомобилях и тракторах. Большая роль в его усовершенствовании принадлежит  шотландскому инженеру, изобретателю-механику Джеймсу Уатту.  

Как оказывается изобретательство и механика в семье Уатт –дело семейное. Его отец также был механиком, строивший и починявший разнообразные инструменты и машины от музыкальных (органы) до кранов, служивших для подымания тяжестей. Уатт с детства был окружен инструментами, любил в них всматриваться, делал для себя игрушки, а потом различные модели. Родители его, принимая во внимание слабое здоровье маленького Джеймса, не принуждали его учиться и предоставляли ему много свободы в выборе занятий. Уатт в начальном училище не отличался успехами, но в гимназии шел лучше, хотя болезненный организм и там препятствовал непрерывности его занятий. Во всяком случае, математические занятия в школе и примеры отца не остались без влияния на развитие в юном Уатте склонности к механике. Вообще же он любил очень многое и, между прочим — занятие естественными науками и медициной, так что сам в юные годы не мог определить, в чем состояло его истинное призвание. Уатт нередко бывал в Глазго у дяди, университетского профессора, и там свел знакомство со многими учеными и образованными людьми. Он никогда не проходил никаких специальных курсов, но много читал, размышлял и сам образовал себя и сделался многосторонне знающим человеком.

Джеймс Уатт был ключевой фигурой в Промышленной революции. На самом деле Джеймс Уатт не был первым человеком, который изобрел паровую машину. Подобное устройство было описано Героном Александрийским в первом веке. В 1698 году Томас Сейвери запатентовал паровую машину, которую использовали для откачки воды, и в 1712 году англичанин Томас Ньюкомен запатентовал ее улучшенную версию. Однако машина Ньюкомена обладала такой низкой производительностью, что ее использовали только для откачки воды из угольных шахт.

Паровая машина, сделанная по проекту Джеймса Уатта

Уатт заинтересовался паровой машиной в 1764 году, когда он ремонтировал модель машины, изобретенной Ньюкоменом. Хотя Уатт только год учился на инструментальщика, он обладал большими изобретательскими способностями. Он сделал такие значительные усовершенствования в изобретении Ньюкомена, что правильней было бы считать Уатта изобретателем первой паровой машиной с практическим применением.
Первым таким значительным усовершенствованием, которое Уатт запатентовал 5 января  1769 году, была изолированная камера для конденсации. Он также изолировал паровой цилиндр, а в 1782 году он изобрел машину двойного действия. Вместе с другими, более мелкими усовершенствованиями это изобретение позволило увеличить производительность паровой машины в четыре или более раз. Практически в увеличении производительности и заключалось различие между уже существовавшей умной, но не очень полезной машиной и техническим устройством с огромным промышленным потенциалом.

Уатт также создал в 1781 году целый ряд приспособлений, преобразующих возвратно-поступательное движение во вращательное. Это устройство намного увеличило количество пользователей паровой машины. В дополнение к другим различным усовершенствованиям Уатт, в 1788 году, изобрел  центробежный регулятор, при помощи которого осуществлялся автоматический контроль за скоростью машины, через два года изобрел манометр, счетчик, указатель уровня, дроссельный клапан.

Сам Уатт не обладал хорошей деловой жилкой. Однако в 1775 году он вступил в деловое сотрудничество с Мэтью Баултоном, инженером и очень хорошим бизнесменом. На протяжении двадцати пяти лет фирма Уатта и Баултона произвела большое количество паровых машин, и оба партнера стали очень состоятельными людьми.

Трудно переоценить значение паровой машины. В действительности было много других изобретений, которые сыграли роль в развитии Промышленной революции. Были изобретения в добывающей промышленности, металлургии, во многих областях, связанных с механизацией промышленного производства. Некоторые изобретения, такие как самолетный челнок (Джон Кей, 1733), прядильная машина «Дженни» (Джеймс Харгривс, 1764), даже предшествовали работе Уатта.

Большинство же других изобретений представляли собой весьма незначительные усовершенствования, и ни одно из них не оказало никакого влияния на Промышленную революцию. Совсем по-другому дело обстояло с паровой машиной, которая сыграла решающую роль и без которой Промышленная революция имела бы совершенно другой характер. Первоначально, несмотря на то, что некоторое распространение получили ветряные и водяные мельницы, главным источником энергии всегда были человеческие мускулы. Этот фактор резко ограничивал производительную мощность промышленности. С изобретением паровой машины ограничение было снято. Производство получило большое количество энергии, что вызвало его бурный рост.

Однако паровая машина явилась не только источником энергии для заводов, она нашла много других применений.

К 1783 году маркиз Жоффруа Д’Аббан с успехом использовал паровую машину для приведения в движение судов. В 1804 году Ричард Тревитик построил первый локомотив. Ни одна из этих ранних моделей не имела коммерческого успеха. Однако за несколько десятков лет пароходу и железной дороге предстояло коренным образом изменить всю систему наземного и водного транспорта.

Промышленная революция произошла в одну и ту же историческую эпоху с Американской и Французской революциями. Хотя это сразу не стало очевидным, сегодня мы можем понять, что Промышленной революции суждено было оказать значительно большее влияние на повседневную жизнь людей, чем любой из этих исторических политических революций.  

И поэтому Джеймса Уатта можно с полным основанием считать одной из самых значимых личностей в истории!

История паровых машин. Кто придумал Паровой двигатель

Паровые 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.

Изобретение и развитие

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

Однако дальнейшее развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики двигателей могли бы воспользоваться их результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения . Только в конце 17-го столетия паровые двигатели были созданы как единичные курьёзы. Первая машина была создана испанским изобретателем Херонимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т. Севери (см. ниже). Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 году англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 году он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в 19-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-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, 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 Таки ад-Дина и Севери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана .

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

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.

Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления (американец Оливер Эванс и англичанин Ричард Тревитик). 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 узлов . 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив , построенный Ричардом Тревитиком.

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 машины

Гравюра двигателя Ньюкомена. Это изображение скопировано с рисунка в работе Дезаглирса «курс экспериментальной философии», 1744, которая является изменённой копией гравюры Генри Битона, датированной 1717 годом. Вероятно, изображён второй двигатель [хой]Ньюкомена, установленный приблизительно в 1714 в угольной шахте Гриф в Уоркшире.

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.

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

Версия паровой машины, созданная Уаттом

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. Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.

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.

Парораспределение

Индикаторная диаграмма, показывающая четырёхфазный цикл поршневой паровой машины двойного действия

В большинстве возвратно-поступательных паровых машин пар изменяет направление движения в каждом такте рабочего цикла, поступая в цилиндр и выходя из него через один и тот же коллектор. Полный цикл двигателя занимает один полный оборот кривошипа и состоит из четырёх фаз — впуска, расширения (рабочая фаза), выпуска и сжатия. Эти фазы контролируются клапанами в «паровой коробке», смежной с цилиндром. Клапаны управляют потоком пара, последовательно соединяя коллекторы каждой стороны рабочего цилиндра с впускным и выпускным коллектором паровой машины. Клапаны приводятся в движение клапанным механизмом какого-либо типа. Простейший клапанный механизм даёт фиксированную продолжительность рабочих фаз и обычно не имеет возможности изменять направление вращения вала машины. Большинство клапанных механизмов более совершенны, имеют механизм реверса, а также позволяют регулировать мощность и крутящий момент машины путём изменения «отсечки пара», то есть изменяя соотношение фаз впуска и расширения. Так как обычно один и тот же скользящий клапан управляет и входным и выходным потоком пара, изменение этих фаз также симметрично влияет на соотношения фаз выпуска и сжатия. И здесь существует проблема, поскольку соотношение этих фаз в идеале не должно меняться: если фаза выпуска станет слишком короткой, то большая часть отработанного пара не успеет покинуть цилиндр, и создаст существенное противодавление на фазе сжатия. В 1840-х и 1850-х годах было совершено множество попыток обойти это ограничение, в основном путём создания схем с дополнительным клапаном отсечки, установленном на основном распределительном клапане, но такие механизмы не показывали удовлетворительной работы, к тому же получались слишком дорогими и сложными. С тех пор обычным компромиссным решением стало удлинение скользящих поверхностей золотниковых клапанов с тем, чтобы впускное окно было перекрыто дольше, чем выпускное. Позже были разработаны схемы с отдельными впускными и выпускными клапанами, которые могли обеспечить практически идеальный цикл работы, но эти схемы редко применялись на практике, особенно на транспорте, из-за своей сложности и возникающих эксплуатационных проблем.

Сжатие

Выпускное окно цилиндра паровой машины перекрывается несколько раньше, чем поршень доходит до своего крайнего положения, что оставляет в цилиндре некоторое количество отработанного пара. Это означает, что в цикле работы присутствует фаза сжатия, формирующая так называемую «паровую подушку» , замедляющую движение поршня в его крайних положениях. Кроме того, это устраняет резкий перепад давления в самом начале фазы впуска, когда в цилиндр поступает свежий пар.

Опережение

Описанный эффект «паровой подушки» усиливается также тем, что впуск свежего пара в цилиндр начинается несколько раньше, чем поршень достигнет крайнего положения, то есть присутствует некоторое опережение впуска. Это опережение необходимо для того, чтобы перед тем, как поршень начнёт свой рабочий ход под действием свежего пара, пар успел бы заполнить то мёртвоё пространство, которое возникло в результате предыдущей фазы, то есть каналы впуска-выпуска и неиспользуемый для движения поршня объём цилиндра.

Простое расширение

Простое расширение предполагает, что пар работает только при расширении его в цилиндре, а отработанный пар выпускается напрямую в атмосферу или поступает в специальный конденсатор. Остаточное тепло пара при этом может быть использовано, например, для обогрева помещения или транспортного средства, а также для предварительного подогрева воды, поступающей в котёл.

Компаунд

В процессе расширения в цилиндре машины высокого давления температура пара падает пропорционально его расширению. Поскольку теплового обмена при этом не происходит (адиабатический процесс), получается, что пар поступает в цилиндр с большей температурой, чем выходит из него. Подобные перепады температуры в цилиндре приводят к снижению эффективности процесса.

Один из методов борьбы с этим перепадом температур был предложен в 1804 году английским инженером Артуром Вульфом, который запатентовал Компаундную паровую машину высокого давления Вульфа
. В этой машине высокотемпературный пар из парового котла поступал в цилиндр высокого давления, а после этого отработанный в нём пар с более низкой температурой и давлением поступал в цилиндр (или цилиндры) низкого давления. Это уменьшало перепад температуры в каждом цилиндре, что в целом снижало температурные потери и улучшало общий коэффициент полезного действия паровой машины. Пар низкого давления имел больший объём, и поэтому требовал большего объёма цилиндра. Поэтому в компаудных машинах цилиндры низкого давления имели больший диаметр (а иногда и большую длину) чем цилиндры высокого давления.

Такая схема также известна под названием «двойное расширение», поскольку расширение пара происходит в две стадии. Иногда один цилиндр высокого давления был связан с двумя цилиндрами низкого давления, что давало три приблизительно одинаковых по размеру цилиндра. Такую схему было легче сбалансировать.

Двухцилиндровые компаундные машины могут быть классифицированы как:

• Перекрёстный компаунд
  — Цилиндры расположены рядом, их паропроводящие каналы перекрещены.
• Тандемный компаунд
  — Цилиндры располагаются последовательно, и используют один шток.
• Угловой компаунд
  — Цилиндры расположены под углом друг к другу, обычно 90 градусов, и работают на один кривошип.

После 1880-х годов компаундные паровые машины получили широкое распространение на производстве и транспорте и стали практически единственным типом, используемым на пароходах. Использование их на паровозах не получило такого широкого распространения, поскольку они оказались слишком сложными, частично из-за того, что сложными были условия работы паровых машин на железнодорожном транспорте . Несмотря на то, что компаундные паровозы так и не стали массовым явлением (особенно в Великобритании, где они были очень мало распространены и вообще не использовались после 1930-х годов), они получили определённую популярность в нескольких странах.

Множественное расширение

Логичным развитием схемы компаунда стало добавление в неё дополнительных стадий расширения, что увеличивало эффективность работы. Результатом стала схема множественного расширения, известная как машины тройного или даже четырёхкратного расширения. Такие паровые машины использовали серии цилиндров двойного действия, объём которых увеличивался с каждой стадией. Иногда вместо увеличения объёма цилиндров низкого давления использовалось увеличение их количества, так же, как и на некоторых компаундных машинах.

Изображение справа показывает работу паровой машины с тройным расширением. Пар проходит через машину слева направо. Блок клапанов каждого цилиндра расположен слева от соответствующего цилиндра.

Появление этого типа паровых машин стало особенно актуальным для флота, поскольку требования к размеру и весу для судовых машин были не очень жёсткими, а главное, такая схема позволяла легко использовать конденсатор, возвращающий отработанный пар в виде пресной воды обратно в котёл (использовать солёную морскую воду для питания котлов было невозможно). Наземные паровые машины обычно не испытывали проблем с питанием водой и потому могли выбрасывать отработанный пар в атмосферу. Поэтому такая схема для них была менее актуальной, особенно с учётом её сложности, размера и веса. Доминирование паровых машин множественного расширения закончилось только с появлением и широким распространением паровых турбин. Однако в современных паровых турбинах используется тот же принцип разделения потока на секции высокого, среднего и низкого давления.

Прямоточные паровые машины

Прямоточные паровые машины возникли в результате попытки преодолеть один недостаток, свойственный паровым машинам с традиционным парораспределением. Дело в том, что пар в обычной паровой машине постоянно меняет направление своего движения, поскольку и для впуска и для выпуска пара применяется одно и то же окно с каждой стороны цилиндра. Когда отработанный пар покидает цилиндр, он охлаждает его стенки и парораспределительные каналы. Свежий пар, соответственно, тратит определённую часть энергии на их нагревание, что приводит к падению эффективности. Прямоточные паровые машины имеют дополнительное окно, которое открывается поршнем в конце каждой фазы, и через которое пар покидает цилиндр. Это повышает эффективность машины, поскольку пар движется в одном направлении, и температурный градиент стенок цилиндра остаётся более или менее постоянным. Прямоточные машины одиночного расширения показывают примерно такую же эффективность, как компаундные машины с обычным парораспределением. Кроме того, они могут работать на более высоких оборотах, и потому до появления паровых турбин часто применялись для привода электрогенераторов, требующих высокой скорости вращения.

Прямоточные паровые машины бывают как одиночного, так и двойного действия.

Паровые турбины

Паровая турбина представляет собой барабан либо серию вращающихся дисков, закреплённых на единой оси, их называют ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закреплённых на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные (в активных, либо подобные в реактивных) лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в неё подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии . Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения).

Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания.

Другие типы паровых двигателей

Кроме поршневых паровых машин, в 19-м веке активно использовались роторные паровые машины. В России, во второй половине 19-го века они назывались «коловратные машины» (то есть «вращающие колесо» от слова «коло» — «колесо»). Их было несколько типов, но наиболее успешной и эффективной была «коловратная машина» петербургского инженера-механика Н. Н. Тверского. Паровой двигатель Н. Н. Тверского . Машина представляла собой цилиндрический корпус, в котором вращался ротор-крыльчатка, а запирали камеры расширения особые запорные барабанчики. «Коловратная машина» Н. Н. Тверского не имела ни одной детали, которая бы совершала возвратно-поступательные движения и была идеально уравновешена. Двигатель Тверского создавался и эксплуатировался преимущественно на энтузиазме его автора, однако он использовался во многих экземплярах на малых судах, на фабриках и для привода динамо-машин. Один из двигателей даже установили на императорской яхте «Штандарт», а в качестве расширительной машины — с приводом от баллона со сжатым газом аммиаком, этот двигатель приводил в движение в подводном положении одну из первых экспериментальных подводных лодок — «подводную миноноску», которая испытывалась Н. Н. Тверским в 80-х годах 19-го столетия в водах Финского залива. Однако со временем, когда паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания и электромоторами, «коловратная машина» Н. Н. Тверского была практически забыта. Однако эти «коловратные машины» можно считать прообразами сегодняшних роторных двигателей внутреннего сгорания.

Применение

Паровые машины могут быть классифицированы по их применению следующим образом:

Стационарные машины

Паровой молот

Паровая машина на старой сахарной фабрике, Куба

Стационарные паровые машины могут быть разделены на два типа по режиму использования:

• Машины с переменным режимом, к которым относятся машины металлопрокатных станов , паровые лебёдки и подобные устройства, которые должны часто останавливаться и менять направление вращения.
• Силовые машины, которые редко останавливаются и не должны менять направление вращения. Они включают энергетические двигатели на электростанциях , а также промышленные двигатели, использовавшиеся на заводах, фабриках и на кабельных железных дорогах до широкого распространения электрической тяги. Двигатели малой мощности используются на судовых моделях и в специальных устройствах.

Паровая лебёдка в сущности является стационарным двигателем, но установлена на опорной раме, чтобы её можно было перемещать. Она может быть закреплена тросом за якорь и передвинута собственной тягой на новое место.

Транспортные машины

Паровые машины использовались для привода различных типов транспортных средств, среди них:

• Сухопутные транспортные средства:
  • Паровой трактор
  • Паровой экскаватор, и даже
• Паровой самолёт.

В России первый действующий паровоз был построен Е. А. и М. Е. Черепановыми на Нижне-Тагильском заводе в 1834 году для перевозки руды. Он развивал скорость 13 вёрст в час и перевозил более 200 пудов (3,2 тонны) груза. Длина первой железной дороги составляла 850 м.

Преимущества паровых машин

Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового Океана на разных глубинах.

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

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

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

Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса. При этом паровая машина паровоза продолжает развивать тяговое усилие даже в случае остановки колёс (упор в стену), чем отличается от всех других видов двигателей, используемых на транспорте.

Коэффициент полезного действия

Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл) от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более. Тепловая электростанция с пароперегревателем и регенеративным водоподогревом может достичь КПД 30 — 42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать коэффициента полезного действия 50 — 60 %. На ТЭЦ эффективность повышается за счёт использования частично отработавшего пара для отопления и производственных нужд. При этом используется до 90 % энергии топлива и только 10 % рассеивается бесполезно в атмосфере.

Такие различия в эффективности происходят из-за особенностей термодинамического цикла паровых машин. Например, наибольшая отопительная нагрузка приходится на зимний период, поэтому КПД ТЭЦ зимой повышается.

Одна из причин снижения КПД в том, что средняя температура пара в конденсаторе несколько выше, чем температура окружающей среды (образуется т. н.

15 ряд ли кто-то сомневается, что одной из главных движущих сил прогресса являются человеческая лень и стремление к комфорту. Это подтверждается бесчисленными сказками, где транспорт передвигается «по щучьему велению», а у счастливчиков имеются волшебные помощники, избавляющие хозяина от необходимости сделать хоть какое-то физическое усилие. Но поскольку в реальности «само» ничего не делается, на протяжении всей истории человечества лучшие умы корпели над изобретениями, которые помогли бы воплотить эти мечты в жизнь.

Если говорить на языке физики и техники, нужно было изобрести устройство, которое смогло бы преобразовать тот или иной вид энергии в полезную механическую работу. С древнейших времен главным и основным источником энергии была мускульная сила человека и животных, а все имеющиеся технические приспособления в лучшем случае помогали использовать ее более рационально и продуктивно. Позднее люди научились применять силу ветра и воды, текущей или падающей с высоты, заставив их работать в ветряных и водяных двигателях . Однако мощность таких двигателей была невелика, и надо было осваивать более перспективные виды энергии тепловую, химическую и электрическую.

Первое известное тепловое устройство, работавшее за счет силы пара, было построено греческим ученым Архимедом в III в. до н. э. Это была пушка, один конец которой нагревали, а затем заливали туда воду. Мгновенно нагреваясь, вода превращалась в пар, который, расширяясь, выталкивал из жерла ядро. Спустя два столетия другой греческий ученый Герон Александрийский создал и описал еще одну тепловую машину полый железный шар, способный вращаться вокруг горизонтальной оси. Из закрытого котла с кипящей водой пар по трубке поступал в шар, откуда выходил наружу через изогнутые сопла, при этом шар приходил во вращение.

Пароход «Мэйфлауэр» на реке Миссисипи. 1855 г.

Полтора тысячелетия «геронов шар» был всего лишь забавной игрушкой, и только в XVI в. ученые задумались о возможности практического применения тепловой энергии. Знаменитый изобретатель Леонардо да Винчи был первым, кто предположил, что пар может выполнять полезную работу. Об этом свидетельствуют рисунки в его рукописях, изображающие цилиндр и поршень. Да Винчи утверждал, что если под поршень в цилиндр поместить воду, а сам цилиндр нагреть, то образующийся водяной пар будет расширяться, что заставит его искать выход и перемещать поршень вверх. Параллельно арабский инженер Таги аль Дин разработал проект устройства, в котором пар, направляемый на закрепленные по ободу колеса лопасти, вращал вертел. В XVII в. похожую машину построил итальянский изобретатель Джованни Бранка. Приводимое в движение паром анкерное устройство поочередно поднимало и опускало пару пестов в ступах, в результате чего можно было дробить зерно. Однако в этих прообразах паровых турбин поток пара был слишком рассеянным, в результате чего происходила значительная потеря энергии.

До конца XVII в. создаваемые паровые машины были скорее единичными техническими диковинками, поскольку экономических предпосылок для их массового использования еще не было. В 1б70-х годах французский изобретатель Дени Папен и голландский физик Христиан Гюйгенс работали над машиной, в которой поршень поднимался за счет расширения газов при взрыве пороха. В 1680 г. Папен создал вариант двигателя, в котором вместо пороха использовалась вода. Ее наливали в цилиндр под поршень, а сам цилиндр разогревали снизу, при этом образующийся пар поднимал поршень. Затем цилиндр охлаждали, и находящийся в нем пар конденсировался, снова превращаясь в воду.

Паровой двигатель Д. Папена.

Поршень, как и в случае порохового двигателя, под действием своего веса и атмосферного давления опускался. Папен также считается изобретателем парового котла, поскольку именно он понял, что для автоматизации цикла пар должен подаваться в цилиндр извне (поэтому паровой двигатель считается двигателем внешнего сгорания: топливо, разогревающее воду сжигается вне рабочего цилиндра).

Первым паровым двигателем, который был не без успеха использован на производстве, стала сконструированная в 1698 г. английским военным инженером Томасом Севери «пожарная установка». Это устройство, самим изобретателем названное «друг рудокопа», представляло собой паровой насос, который использовался для вращения колес водяной мельницы и для откачки воды из шахт. Машина была не слишком эффективной из-за больших потерь тепла во время охлаждения контейнера и достаточно опасной в эксплуатации, поскольку из-за высокого давления пара трубопроводы и емкости двигателя нередко взрывались.

В 1712 г. английский кузнец Томас Ньюкомен продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором рабочее давление пара удалось значительно снизить, следовательно, двигатель стал более безопасным. Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень.

Сколько лошадей?

Понятие лошадиной силы как единицы мощности паровой машины ввел Дж. Уатт. Но первым термин стал применять Т. Севери еще в 1698 г. При этом подход у них был разный. Севери оценивал мощность своего насоса, исходя из того, что для его работы в сутки потребуется 10 меняющихся по мере усталости лошадей. Уатт же учитывал только работающих на данный момент пару запряженных лошадей. В итоге получалось, что мощность почти одинаковых паровых машин Севери оценивал в 10 «лошадок», а Уатт только в две.

Откачка воды из угольной шахты при помощи паровой машины Т. Ньюкомена. Иллюстрация из The Universal Magazine. 1747 г.

К. Ф. фон Бреда. Потрет Джеймса Уатта. 1792 г.

При впрыскивании в цилиндр холодной воды пар конденсировался, образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом, поднимал шток насоса. Именно машина Ньюкомена явилась первым паровым двигателем, с которым принято связывать начало промышленной революции в Англии. Она оказалась настолько удачной, что использовалась в Европе более 50 лет. Тем не менее в конструкцию вносились некоторые важные изменения. В частности, в 1718 г. англичанин Генри Бейтон изобрел распределительный механизм, который автоматически включал или отключал пар и впускал воду. Он же дополнил паровой котел предохранительным клапаном.

Проект первой в мире паровой машины, способной непосредственно приводить в действие любые рабочие механизмы, предложил в 1763 г. русский изобретатель Иван Иванович Ползунов, механик на Колывано-Воскресенских горнорудных заводах Алтая. Его машина представляла собой двухцилиндровый вакуумный агрегат с поршнями, соединенными цепью, перекинутой через шкив. Все действия в нем совершались автоматически. Вместо опытного образца заводское начальство потребовало сразу построить большую машину для мощной воздуходувки. Двигатель строили почти два года, и до запуска изобретатель не дожил. Машина успешно прошла испытания и была запущена в эксплуатацию. Уже через три месяца она не только оправдала затраты, но и дала прибыль. Однако через некоторое время котел дал течь, и по непонятным соображениям чинить машину не стали.

Примерно в это же время в Англии над созданием паровой машины работал шотландец Джеймс Уатт. Он занимался усовершенствованием двигателя Ньюкомена. Было ясно, что основной недостаток машины Ньюкомена состоял в попеременном нагревании и охлаждении цилиндра. Уатт предположил, 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 конденсатор холодным, если снаружи их покрыть теплоизоляционным материалом. В 1768 г. он получил на свое изобретение патент, но построить машину смог только в 1776 г. Она оказалась вдвое эффективнее машины Ньюкомена.

Паровая машина Ползунова.

И. И. Ползунов.

В 1782 г. появилась созданная Уаттом первая универсальная паровая машина двойного действия. Ее крышка была оснащена сальником, который обеспечивал поршню свободное движение штока и в то же время предотвращал утечку пара из цилиндра. Пар поступал в цилиндр с двух сторон поршня попеременно, таким образом, поршень совершал с помощью пара и рабочий, и обратный ход, чего не было в прежних машинах. Уатт получил на свою «ротативную паровую машину» патент, и она начала широко применяться для приведения в действие станков и машин сначала на прядильных и ткацких фабриках, а затем и на других промышленных предприятиях.

Паровоз «Пыхтящий Билли».

Макет паровой машины Дж. Уатта.

Помимо промышленности паровые машины прочно заняли место в сельском хозяйстве и на транспорте. Еще в 1850 г. английский изобретатель Уильям Говард использовал для пахоты локомобиль компактный передвижной паровой двигатель. В 1879 г. крестьянин Федор Блинов из Саратовской губернии построил и запатентовал первый в мире гусеничный трактор, приводимый в действие паровой машиной мощностью 20 л. с.

Первый образец автомобиля с паровым двигателем в 1769 г. испытал французский изобретатель Николя Жозе Кюньо, его творение получило известность как «малая паровая телега Кюньо». Год спустя публике представили уже «большую паровую телегу Кюньо». В 1788 г. в США было организовано пароходное сообщение по реке Делавер между городами Филадельфия и Берлингтон. Сконструированный Джоном Фитчем пароход мог принять на борт 30 пассажиров и везти их со скоростью 7-8 миль в час. А в 1804 г. Ричард Тревитик продемонстрировал первый самоходный железнодорожный локомотив на паровой тяге, построенный на металлургическом заводе Пенидаррен в Мер-тир-Тидвиле (Южный Уэльс).

Несмотря на все усилия инженеров, довольно низкий КПД паровых двигателей повысить так и не удалось, и уже к концу XIX в. с полной отдачей послужившие техническому прогрессу машины начали постепенно сдавать свои позиции. На автомобильном транспорте они уступили место двигателям внутреннего сгорания, на железной дороге и в промышленности электродвигателям. Однако в теплоэнергетике и на отдельных видах транспорта паровые машины (в особенности паровые турбины) по-прежнему используются достаточно широко.

Паровая турбина сталелитейного завода.

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. Она была предназначена для вращения цилиндрического анкерного приспособления в ступах, которое в свою очередь поднимало и опускало пару пестов в ступах. В таких паровых машинах паровой поток не был концентрированным, и это приводило к большим потерям энергии, ведь значительная часть энергии пара рассеивалась во всех направлениях.

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. Безопасная и надежная работа этих агрегатов началась с накоплением опыта и после стандартизации операций сооружения, эксплуатации и обслуживания.

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.

Паровамя машимна
— тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу возвратно-поступательного движенияпоршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.

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. Дени Папен был ассистентом у Гюйгенса, а с 1688 г. профессором математики в Марбургском университете. У него возникла идея использовать для атмосферного двигателя форму полого цилиндра с движущимся в нем поршнем. Перед Папеном стояла задача заставить поршень совершать работу силой атмосферного давления. В 1690 г. был создан принципиально новый проект парового двигателя. Вода в цилиндре при нагревании превращалась в пар и двигала поршень вверх. Через специальный клапан пар выталкивал воздух, а при конденсации пара создавалось разреженное пространство; наружное давление двигало поршень вниз. Опускаясь, поршень тянул за собой веревку с грузом. Папен ставил цилиндр машины вертикально потому, что цилиндр-клапан не может в ином положении выполнять свою функцию. Двигатель Папена полезную работу выполнял плохо, так как не мог осуществить непрерывное действие. Чтобы заставить поршень поднимать груз, необходимо было манипулировать стержнем-клапаном и стопором, перемещать источник пламени и охлаждать цилиндр водой.

Совершенствование пароатмосферных машин продолжил Томас Севери. В 1698 году Томас Севери изобрел паровой насос для откачки воды из шахт. Его «друг рудокопов» работал без поршня. Всасывание воды происходило путем конденсации пара и создания разреженного пространства над уровнем воды в сосуде. Севери отделил котел от сосуда, где производилась конденсация. Эта паровая машина обладала низкой экономичностью, но все-таки нашла широкое применение.

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.

Несколько последующих лет Уатт упорно трудился над совершенствованием своего двигателя. 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.

Ползунов начал свою работу почти одновременно с Уаттом, но с иным подходом к проблеме двигателя и в совершенно других экономических условиях. Ползунов начинал с общеэнергетической постановки задачи о полной замене зависящих от локальных условий гидросиловых установок универсальным тепловым двигателем, но не смог реализовать свои смелые планы в крепостной России.

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.

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.

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.

Когда и кем был изобретён паровой двигатель?

Содержание

• — Когда и кем был изобретен паровой привод и что дало это изобретение?
• — Какой изобретатель первым создал паровой двигатель?
• — Где впервые был использован паровой двигатель?
• — Когда изобрели паровой автомобиль?
• — В каком году изобрели первую универсальную паровую машину?
• — Где используется паровая машина?
• — Что такое паровой двигатель для детей?
• — Кто изобрел ватт?
• — Кто подсказал идею парового двигателя?
• — Какая мощность паровой машины?
• — Что является рабочим телом в паровых двигателях?
• — Каков был кпд первых паровых автомобилей?
• — Кто и в каком году построил первую машину паровоз?
• — Чем заменили паровые машины?
• — Кто изобрел первую паровую машину в России?

Когда и кем был изобретен паровой привод и что дало это изобретение?

Ровно 322 года назад, 2 июля 1698 года английский ученый Томас Севери запатентовал первый паровой двигатель. Полностью его труд звучит так: «новое изобретение для подъема воды для всех видов мельниц с помощью двигательной силы огня.» Впоследствии механизм нарекли «Машиной Севери» или «огненным двигателем».

Какой изобретатель первым создал паровой двигатель?

Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Севери в 1698 году. На своё устройство Севери в том же году получил патент.

Где впервые был использован паровой двигатель?

Thomas Savery построил первый коммерческий пример, который он запатентовал в 1698 году. Несколько лет спустя Томас Ньюкомен создал еще один эффективный водяной насос. В 1712 году он создал первый в мире атмосферный паровой двигатель, который он установил на угольной шахте в Англии.

Когда изобрели паровой автомобиль?

В 1769 году французский изобретатель Никола Жозеф Кюньо испытал первый образец полноразмерной машины с паровым двигателем (усовершенствованная машина Ньюкомена), известный как «малая телега Кюньо», а в 1770 году — «большую телегу Кюньо».

В каком году изобрели первую универсальную паровую машину?

5 января 1769 года Джеймс Уатт получил патент на свою первую паровую машину. Изобретение паровой машины стало поворотным моментом промышленной и всеобщей истории человечества.

Где используется паровая машина?

Паровая машина применяется как приводной двигатель в различных насосных станциях, на паровых судах, локомотивах, паровых автомобилях, тягачах, других транспортных средствах.

Что такое паровой двигатель для детей?

Паровая машина HTML5

Как следует из названия, паровой двигатель работает от силы водяного пара, нагретого до высокого давления. Данная технология преобразует тепловую энергию (теплоту) в механическую (работу). В котле нагревается вода для дальнейшего преобразования её в пар.

Кто изобрел ватт?

James Watt; 19 (30) января 1736 — 19 августа 1819) — шотландский инженер, изобретатель-механик. Ввёл первую единицу мощности — лошадиную силу. Его именем названа единица мощности — Ватт. Усовершенствовал паровую машину Ньюкомена.

Кто подсказал идею парового двигателя?

Папен изучал работу поршня в цилиндре. В 1690 году в Марбурге он создал паровой двигатель, который совершал полезную работу за счет нагревания и конденсации пара. Это был один из первых паровых котлов. Конструкцию паровой машины (цилиндр и поршень) Дени Папену подсказал Лейбниц.

Какая мощность паровой машины?

Нарицательная мощность (также нарицательная сила) — условная мощность паровой машины, вычисленная по эмпирической формуле, предложенной Джеймсом Уаттом. Традиционно нарицательная мощность выражалась в британских лошадиных силах, равных приблизительно 745,7 Вт.

Что является рабочим телом в паровых двигателях?

На практике рабочим телом тепловых двигателей являются продукты сгорания углеводородного топлива (бензина, дизельного топлива и др.), или водяной пар, имеющие высокие термодинамические параметры (начальные: температура, давление, скорость и т. …

Каков был кпд первых паровых автомобилей?

КПД паровой машины той конструкции и в те годы составлял около 10%. КПД двигателя Ленуара был всего 4%. Только через 22 года, к 1882-му, Август Отто усовершенствовал его настолько, что КПД теперь уже бензинового двигателя достиг… аж 15%.

Кто и в каком году построил первую машину паровоз?

Прототип паровоза был построен во Франции в 1769 военным инженером Николя-Жозе Кюньо (первый прошедший испытания образец выставлен в Musée des arts et métiers). Второй вариант был построен и испытан в конце 1770 года, но в декабре того же года изобретатель и заказчик были отправлены в ссылку как сторонники оппозиции.

Чем заменили паровые машины?

По этой причине в начале ХХ века паровые двигатели на автомашинах были заменены двигателями внутреннего сгорания. С их помощью автомобили стали более экономичными, легкими и скоростными. Нельзя не упомянуть и о других, менее удачных применениях пара в конце ХIХ — начале ХХ веков.

Кто изобрел первую паровую машину в России?

250 лет назад механик Барнаульского медеплавильного завода Иван Ползунов после пяти лет работы закончил сборку первой в мире паровой машины современного типа мощностью 32 лошадиные силы. Идею использования энергии пара выдвинул еще в I веке Гиерон Александрийский.

Интересные материалы:

Как заказать посылку с алиэкспресс без инн?
Как заказать запчасти с Емех?
Как захватить все территории в GTA SA?
Как заклеить надувной матрас без заплатки?
Как закончилась история Древнего Рима?
Как закрасить элемент в компасе?
Как закрепить гирлянду занавес на окно?
Как закрепить объект в Corel?
Как закрепить сообщение на Андроиде?
Как закрутить болт чтобы он не раскручивался?

Паровой трактор и первое его применение в армии

Копия «телеги Кюньо», 2015 год

Первая паровая машина была изобретена голландским физиком Денни Папеном в XVII веке. Это был простейший механизм, представлявший собой цилиндр с поршнем, который поднимался под действием пара, а опускался уже под давлением атмосферы. Первоначально применение новых паровых двигателей было гражданским. Вакуумные паровые машины, построенные в 1705 году английскими изобретателями Томасом Ньюкменом и Томасом Сивери, использовались для выкачивания воды из копей. Со временем паровые машины совершенствовались в разных странах, что способствовало появлению новых вариантов их использования.

К примеру, в 1769 году французским инженером и конструктором Николя Жозефом Кюньо был спроектирован прародитель всех автомобилей. Это был паровой автомобиль, который в те годы назвали паровой телегой Кюньо. По сути, это был прототип всех будущих машин и паровозов. Самодвижущаяся повозка достаточно быстро привлекла к себе внимание военных со всего мира. Хотя впервые массово в военном деле паровые двигатели начали использовать не на суше, а на флоте, где появились первые боевые пароходы. Постепенно совершенствовался и наземный паровой транспорт. В частности, во второй половине XIX века появилось сразу несколько достаточно успешных моделей паровых тракторов, которые использовались в армиях Великобритании и Российской империи.

Самодвижущаяся повозка Кюньо

Изобретение парового двигателя стало первым шагом на пути появления новой техники, которая затем изменила весь мир. В первую очередь речь идёт о паровозах и пароходах. При этом уже в XVIII веке появились и первые прообразы будущих автомобилей, правда, с паровым двигателем. А еще позже появятся и первый трактор с паровым двигателем, которому также найдется применение в гражданской жизни и в военном деле. При этом первым, кому удалось создать самодвижущуюся повозку, навсегда останется французский инженер Николя Жозеф Кюньо, который в 1769 году сконструировал и представил первый паровой автомобиль.

Машина была очень несовершенной и сегодня вызвала бы только улыбку. В новинке было больше от телеги, чем от современного автомобиля, но это всё равно был прорыв. Первый образец новой техники вошел в историю как «малая телега Кюньо». А уже в следующем 1770 году увидела свет и «большая телега Кюньо». При этом сам инженер называл свое детище не иначе как «Огненная телега». Общая длина первой паровой машины составляла 7,25 метра, ширина – до 2,3 метра, колесная база – 3,08 метра.

Схема паровой телеги Кюньо

Основой самодвижущейся повозки Кюньо была массивная деревянная рама из дуба на трёх колесах, не имеющих рессор. Переднее колесо являлось направляющим. Именно над ним был установлен массивный по размерам паровой котел. Диаметр котла, по некоторым данным, доходил до полутора метров. При общем весе в 2,8 тонны «большая телега Кюньо» обладала грузоподъемностью примерно 5 тонн, а максимальная скорость хода составляла 3-4 км/ч, то есть двигалась паровая машина со скоростью обычного пешехода.

Проект был передовым для своего времени, но из-за низкого уровня развития технологий во второй половине XVIII века имел массу проблем. К примеру, давления пара в котле хватало только на 12 минут движения, после чего паровой котел необходимо было снова заправлять водой и разжигать под ним костер. По сути, Кюньо создал, как бы сейчас сказали, демонстратор технологий. Это был экспериментальный образец, который невозможно было использовать в реальных дорожных условиях.

Примечательно, что уже первая паровая машина создавалась по заказу военных и для вполне определенной цели, которая затем станет основной и для многих паровых тракторов. В новой машине французские военные уже тогда видели паровой тягач для перевозки тяжелых артиллерийских систем. Таким образом, «огненная телега» Кюньо изначально предназначалась для буксировки артиллерийских орудий.

Паровые трактора Бойделя и Бурелла

От появления идеи создания парового артиллерийского тягача до её реализации на практике прошло практически 100 лет. Хотя еще в 1822 году через полвека после появления проекта Кюньо патент на изобретение парового трактора оформил Давид Гордон. Предложенный Гордоном проект был первым проектом колесного парового трактора, но на практике он реализован не был, оставшись навсегда бумажным, как это часто и бывает со многими изобретениями. Именно по этой причине полноценный дебют паровых тракторов в армии состоялся только в 1856 году во время Крымской войны.

Во время войны британская армия использовала в Крыму паровые тракторы Бойделя. Военных данная разработка привлекла высокой проходимостью по местности. Для улучшения проходимости колеса трактора оснащались специальными широкими плитами, которые благодаря большой площади поверхности снижали давление на грунт. При этом интерес к подобным тракторам британцы не потеряли и после завершения конфликта. Опыты с тракторами Бойделя были продолжены и попали на страницы прессы. Известно, что новые паровые тракторы Бойделя проходили испытания даже в Гайд-парке и были публичными. При этом в английской прессе тех лет подчеркивалось, что машина отличается хорошей подвижностью, маневренностью, может разогнаться до скорости 4 мили в час на проселочной дороге и перевозить за собой груз массой от 60 до 70 тонн. Груз перевозился в пяти специально построенных для испытаний больших повозках.

По словам корреспондента, трактор мог перевозить в импровизированных вагонах до 160 солдат с полным снаряжением, разгоняясь по травяным лужайкам парка до 6 миль в час. Проведенные испытания удовлетворили военных, которые считали, что подобная техника окажется полезной в Индии и других отдаленных владениях Британской империи. Основным предназначением паровых тракторов в армии должна была стать перевозка орудий и боеприпасов.

Уже в 1871 году в Великобритании был построен еще один паровой трактор. На этот раз Буреллом, который изначально проектировал свою машину как трактор с паровым двигателем для омнибуса. Основным его предназначением должны были стать пассажирские перевозки. Тракторы Бурелла строились в достаточно больших количествах для своего времени и активно продавались на экспорт. Часть построенных образцов оказалась в Российской империи и Турции. Созданный Буреллом трактор был в состоянии тянуть на прицепе грузы массой до 37 тонн при собственном весе 10,5 тонны. В городских условиях такой трактор мог разогнаться до 8 миль в час (почти 13 км/ч). Но даже это был не рекорд скорости. Созданный и испытанный в октябре 1871 года трактор Рансома на коротких дистанциях демонстрировал скорость 32 км/ч, что было отличным результатом для самодвижущихся транспортных повозок тех лет.

Паровой трактор в русской армии

Впервые паровые тракторы были использованы в русской армии во время войны против Турции 1877-1878 годов. Они применялись для транспортировки орудий, а также перевозки различных военных грузов, при этом приоритетной и основной была именно транспортная задача. Паровой трактор, как выяснилось, хорошо заменял лошадей и оказался более рентабельным транспортным средством. При этом все созданные паровые тракторы в военном деле рассматривались исключительно как транспортные средства. Никакого желания использовать их в боевых условиях у военных не было, хотя изобретатели и предлагали свои проекты создания паровых боевых машин. Многие из этих проектов были прообразами будущих танков, но в металле они не реализовывались.

Возвращаясь к Русской Императорской армии, можно отметить, что в войне с турками использовались паровые тракторы в основном британского производства. Паровые тягачи, или, как их еще называли, дорожные локомотивы, как и многие высокотехнологичные товары, закупались в Великобритании. Зимой 1876-1877 годов Россия приобрела 10 тракторов разных моделей, в том числе шесть компании Aveling & Porter, три компании Clayton & Shuttleworth и один трактор компании Fowler.

Все эти тракторы были объединены в «Особую команду дорожных паровозов». По сути, это была первая в истории нашей армии моторизованная военно-транспортная часть. На протяжении всей военной кампании паровые машины использовались для снабжения фронта необходимым для ведения боевых действий имуществом, перевезя в общей сложности почти 9 тысяч тонн различных грузов. После войны технику перебросили в Туркестан, где дорожные локомотивы прослужили до 1881 года, пока не были окончательно списаны после выработки ресурса.

Паровой трактор Aveling & Porter, модель 1871 года

При этом широкого распространения в армии паровые тракторы никогда не имели. В начале XX века их достаточно быстро вытеснили новые машины более эффективной конструкции, оснащенные двигателями внутреннего сгорания, конкурировать с которыми паровые двигатели не могли. Окончательно такой вид техники, которая все-таки использовалась в народном хозяйстве во многих странах, добили низкие цены на топливо, установившиеся после завершения Второй мировой войны.

Кто изобрел паровой двигатель?

Паровой двигатель способствовал крупным достижениям в области добычи полезных ископаемых, производства, сельского хозяйства и транспорта.
(Изображение предоставлено: Баптист | Shutterstock)

В мире, движимом двигателями внутреннего сгорания, газовыми турбинами и ядерными реакторами, паровой двигатель может показаться пережитком прошлого. Но без этого революционного изобретения современный мир был бы совсем другим.

Возможно, самое важное достижение промышленной революции. Паровой двигатель способствовал крупным достижениям в горнодобывающей промышленности, производстве, сельском хозяйстве и транспорте. И хотя разработка и усовершенствование парового двигателя приписывают нескольким выдающимся деятелям 18-го и 19-го веков, история паровых машин на самом деле восходит почти за 2000 лет до промышленной революции.

Древние паровые турбины

В начале первого века нашей эры греческий изобретатель Герой Александрийский сконструировал первую в мире эолипилу, или примитивную паровую турбину. Эолипил Герона состоял из полого шара, закрепленного на паре трубок. Нагретые снизу огнем трубы доставляли пар к сфере, где он выпускался через другую серию труб, выступающих из экватора сферы. Это движение пара через устройство заставляло сферу вращаться, демонстрируя возможность использования пара в качестве движущей силы.

Хотя эолипил Героя был создан как новинка, а не как средство ускорения производства, тем не менее, это первое известное устройство, преобразующее пар во вращательное движение. Но только в 17 веке были предприняты попытки использовать силу эолипила Герона в практических целях.

В первом веке нашей эры Герой Александрийский изобрел эолипил, или примитивную паровую турбину. (Изображение предоставлено общественным достоянием.)

Steam: идеальное решение

Первые практические паровые двигатели были разработаны для решения очень специфической проблемы: как удалить воду из затопленных шахт. Поскольку европейцы 17 века перешли с дерева на уголь в качестве основного источника топлива, шахты углублялись и, как следствие, часто затапливались после проникновения подземных источников воды.

Считается, что испанский управляющий горнодобывающей промышленностью по имени Херонимо де Аянс первым решил проблему затопленных шахт. В 1606 году де Аянц зарегистрировал первый патент на машину, которая использовала силу пара для выталкивания воды из шахт. Испанский изобретатель, которому также приписывают изобретение одной из первых в мире систем кондиционирования воздуха, использовал свой паровой двигатель для удаления воды из серебряных рудников на Гуадалканале в Севилье.

В то время как испанец первым запатентовал паровую машину для использования в горнодобывающей промышленности, изобретение первого парового двигателя обычно приписывают англичанину. В 1698 году Томас Савери, инженер и изобретатель, запатентовал машину, которая могла эффективно извлекать воду из затопленных шахт с помощью давления пара. Савери использовал принципы, изложенные Дени Папеном, британским физиком французского происхождения, который изобрел скороварку. Идеи Папена, связанные с паровым двигателем с цилиндром и поршнем, ранее не использовались для создания работающего двигателя, но к 1705 году Савери превратил идеи Папена в полезное изобретение.

Используя два паровых котла, Савери разработал практически непрерывную систему откачки воды из шахт. Но, несмотря на ранний успех системы Савери, вскоре было обнаружено, что его двигатель способен брать воду только с небольшой глубины, и эту проблему необходимо было решить, если паровые двигатели должны были работать в глубоких шахтах.

К счастью для европейских шахтеров, в 1711 году другой англичанин, Томас Ньюкомен, разработал лучший способ откачки воды из шахт. В его системе использовался модернизированный паровой двигатель, который устранял необходимость в аккумулированном давлении пара — недостаток в системе Савери, который приводил ко многим неудачным взрывам. «Атмосферный» двигатель Ньюкомена, названный так потому, что уровень давления пара, который он использовал, приближался к атмосферному давлению, был первой коммерчески успешной машиной, в которой пар использовался для работы водяного насоса.

Несмотря на то, что атмосферный двигатель Ньюкомена был улучшен по сравнению с первоначальным рендерингом паровой машины Савери, у него были свои недостатки. Машина была крайне неэффективной, ей требовался постоянный поток холодной воды для охлаждения важнейшего парового цилиндра (часть двигателя, где давление пара преобразуется в движение), а также постоянный источник энергии для повторного нагрева цилиндра.

Несмотря на этот существенный недостаток, конструкция двигателя Ньюкомена оставалась неизменной в течение следующих 50 с лишним лет и, помимо откачки шахт, также использовалась для осушения заболоченных земель, снабжения водой городов и даже электроснабжения заводов и мельниц путем перекачивания воды. снизу водяного колеса кверху для повторного использования.

В 1698 году Томас Савери запатентовал машину, которая могла эффективно извлекать воду из затопленных шахт с помощью давления пара. (Изображение предоставлено общественным достоянием.)

Сила промышленной революции

Но к 1765 году судьба двигателя Ньюкомена была решена. В том же году Джеймс Уатт, шотландский производитель инструментов, нанятый Университетом Глазго, начал ремонт небольшой модели двигателя Ньюкомена. Уатт был озадачен большим количеством пара, потребляемого машиной Ньюкомена, и понял, что для устранения этой неэффективности ему придется покончить с постоянным охлаждением и повторным нагревом парового цилиндра.

Для этого Уатт разработал отдельный конденсатор, который позволял поддерживать постоянную температуру парового цилиндра и значительно улучшал функциональность двигателя Ньюкомена.

По финансовым причинам Ватт не смог сразу изготовить свой новый улучшенный атмосферный двигатель. Но к 1776 году он сформировал партнерство с Мэтью Бултоном, английским промышленником и инженером, решительно настроенным использовать паровые двигатели не только для откачки воды из шахт.

При финансовой поддержке Бултона Уатт разработал ротационную паровую машину одностороннего действия (а позже и двойного действия), которая, наряду с фирменным отдельным конденсатором Ватта, отличалась механизмом параллельного движения, который удвоил мощность существующего парового цилиндра. Двигатель Боултона-Ватта был также первым, который позволил оператору машины контролировать скорость двигателя с помощью устройства, называемого центробежным регулятором. В улучшенном двигателе использовалась новая система передач, разработанная сотрудником Бултона и Уоттса Уильямом Мердоком, известная как солнечная и планетарная передача, для преобразования возвратно-поступательного (линейного) движения во вращательное.

Усовершенствования парового двигателя Уаттом в сочетании с видением Бултона о стране, работающей на паре, способствовали быстрому внедрению паровых двигателей в Соединенном Королевстве и, в конечном итоге, в Соединенных Штатах. К 1800-м годам паровые двигатели приводили в действие мельницы, фабрики, пивоварни и множество других производственных предприятий. В 1852 году состоялся первый полет парового дирижабля. Будущие итерации парового двигателя также стали определять путешествия, поскольку поезда, лодки и железные дороги переняли технологию, чтобы доставить пассажиров в 20-й век. [См. также: Как паровой двигатель изменил мир]

Следите за новостями Элизабет Палермо в Twitter @techEpalermo, Facebook или Google+. Подписывайтесь на LiveScience @livescience. Мы также есть в Facebook и Google+.

Элизабет — помощник редактора Live Science, пишет о науке и технологиях. Она получила степень бакалавра искусств в Университете Джорджа Вашингтона. Элизабет путешествовала по Америке, изучая политические системы и культуры коренных народов, а также обучая английскому языку учащихся всех возрастов.

История паровой машины: достижения, применение

Первые исследования паровой энергии начались в Древней Греции. Греческий ученый, изобретатель, инженер из Александрии по имени Герон или Герон задокументировал устройство, эолипил, которое считается первой формой парового двигателя. Механизм состоял из закрытого контейнера, похожего на шар или цилиндр, с вентиляционными трубками, соединенными с его сторонами. Когда сосуд наполнялся водой и нагревался, через боковые отверстия выбрасывался пар, заставляя сферическую форму вращаться вокруг оси.

Леонардо да Винчи в 15 веке выдвинул гипотезу о том, что пушка может приводиться в действие паром. Хотя он так и не был изготовлен, идея заключалась в том, чтобы иметь котел с нагретым древесным углем, в который вода сбрасывалась бы в котел, создавая давление пара, которое заставляло бы винт вращаться и выбрасывало 71-фунтовое пушечное ядро. Леонардо не приписал устройство Архимеду.

На протяжении веков несколько других изобретателей и ученых исследовали и манипулировали паровой энергией, очарованные ее силой и мощью. В середине 15 века Эдвард Сомерсет, изобретатель, дворянин и политик, создал паровой двигатель, который нашел практическое применение, что стало одной из многих попыток использовать силу пара.

 

Открытие силы пара

При обсуждении паровой машины важно осознавать ее значение для промышленной революции и то, как она стала краеугольным камнем роста современного производства. Хотя эксперименты с паровыми двигателями проводились до 16 века, немногие из них были достаточно практичными для общего использования. Каждая из конфигураций была применима к конкретной ситуации, но не для широкого внедрения.

 

В 1698 английский военный инженер и изобретатель разработал первую форму парового двигателя, используя концепции скороварки. Томас Савери пытался решить проблему скопления воды в угольных шахтах. Его паровое изобретение использовало закрытый сосуд для производства пара под давлением. Добавляли холодную воду, создавая вакуум, который высасывал воду из шахты.

Торговец скобяными изделиями из Девона, Соединенное Королевство, работал с Савери, чтобы решить аналогичную проблему в его шахтах. Томас Ньюкомен владел горнодобывающим бизнесом, производившим уголь и олово. Как и в случае с Савери, он постоянно боролся с проблемой затопления своих шахт, которое задерживало производство и подвергало опасности его рабочих. Процесс ручной откачки, используемый для удаления воды, был утомительным, трудоемким и еще больше задерживал производство. Чтобы ускорить откачку, он использовал концепции Савери, чтобы изобрести насосное устройство, в котором сила пара приводила в движение поршень, вытягивающий воду из шахты.

 

В 1764 году Джеймса Уатта попросили отремонтировать паровую машину Ньюкомена. Работая над тонкостями машины, он пришел к выводу, что конструкция ошибочна и неэффективна. Вдохновленный своими открытиями, Уатт решил взять принципы и концепции Ньюкомена и улучшить их, используя свое понимание механики.

Хотя модели Ньюкомена было достаточно для своей цели, она позволяла выходить пару, что уменьшало мощность двигателя. Уатт нашел способ использовать выходящий пар, добавив отдельную камеру конденсации, и запатентовал свою конструкцию как отдельное новое изобретение. Усовершенствования Уатта сделали паровой двигатель доступным для большего количества отраслей, чем горнодобывающая промышленность, и могли выполнять несколько функций. Вскоре после его добавления горнодобывающая промышленность, хлопчатобумажные фабрики и другие отрасли промышленности поспешили использовать паровую энергию в своей работе.

Джонатан Хорнблауэр усовершенствовал работу Джеймса Уатта и изобрел паровую машину с двумя цилиндрами. Он попытался запатентовать свою идею, но ему помешал судебный иск Ватта. Идеи Хорнблауэра были утеряны до тех пор, пока не были заново открыты Артуром Вульфом, который использовал их, как Савери и Ньюкомен, для откачки шахт.

До этого момента пар под давлением не исследовался. Устройства Савери, Ньюкомена и Уатта были разработаны для создания вакуума, приводящего в движение поршень. Оливер Эванс представлял себе силу пара иначе. Он разработал метод, в котором сила и мощность давления пара толкают поршень, создавая более эффективный способ преобразования тепловой энергии в работу. Этот же метод использовал Ричард Тревитик при разработке своих различных паровых двигателей.

Ричард Тревитик был провидцем, у которого было мало практического смысла. Хотя он разработал и создал несколько способов использования энергии пара, он был крайне неудачливым бизнесменом и умер в нищете. Несмотря на отсутствие успеха и его более позднюю кончину в нищете, он внес значительный вклад в развитие паровой энергетики, изобретя котел. Его версия котла была названа корнуоллским котлом, что привело к созданию корнуоллского парового двигателя, более дешевого, легкого и меньшего по размеру двигателя, чем версия Уатта.

Покинув Соединенное Королевство и отправившись в Южную Америку, Тревитик передал патенты на свой паровой двигатель Уильяму Симсу, который построил несколько двигателей по проекту Тревитика. За работой Симса последовал Сэмюэл Чейз, который внес дальнейшие улучшения в базовую конструкцию и повысил эффективность двигателей. Сэмюэл Гроуз добавил к работе Чейза другие особенности, добавив изоляцию для котла, двигателя и труб.

Эффективность паровых двигателей оказала значительное влияние на производство, уменьшив потребность в рабочей силе и повысив производительность. Распространение энергии пара наблюдалось во всех сферах жизни, от фабрик и предприятий до путешествий и цепочки поставок. То, что начиналось как удобное и эффективное средство удаления воды из шахтных стволов, превратилось в устройство, изменившее мир и проложившее путь современному производству и торговле.

 

Сила пара и путешествия

Использование парового двигателя для приведения кораблей в движение связано с неудачей художника Роберта Фултона. Подобно таким людям, как Б. Ф. Скиннер и Уильям Джеймс, Фултон представлял себя художником и усердно работал над созданием произведений искусства. Его друзья и родственники поощряли его усилия осуществить свою мечту в Европе и учиться у мастеров. Один благотворитель был настолько впечатлен работами Фултона, что профинансировал поездку Фултона в Англию. К сожалению или к счастью, в зависимости от того, как вы на это смотрите, картины Фултона не были приняты критиками в Лондоне и едва обеспечивали достаточный доход.

Признав свое поражение как художник, Фултон обратил свое внимание на изобретательство. Его первой концепцией была серия каналов, которые можно было бы проложить через Соединенные Штаты для эффективной и экономичной перевозки людей и товаров на большие расстояния. Его точные детали включали все необходимые элементы, чтобы сделать проект успешным. Интересным побочным эффектом было его введение и производство первого подводного военного корабля под названием «Наутилус», который был отвергнут как бесчестный способ ведения войны.

В 1801 году Фултон объединил свои таланты с Робертом Ливингстоном, чтобы получить права на пароходное судоходство в штате Нью-Йорк. В результате их сотрудничества Фултон спроектировал и построил двигатель высотой 66 футов и мощностью восемь лошадиных сил, используя французскую конструкцию с боковыми лопастными колесами. Хотя проект оказался неудачным, Фултон продолжил работу над кораблем с паровым двигателем, безуспешно пытаясь продать свою концепцию подводного оружия. В 1807 году Фултон наконец построил практичный пароход, готовый принимать пассажиров и грузы.

 

Успех Фултона привел к транспортной революции, позволившей миллионам людей покинуть свои дома и обрести успех в других странах. Особенно это было заметно во второй половине XIX века, когда тысячи недовольных и бедных людей покинули Европу, чтобы начать новую жизнь в Соединенных Штатах. Подсчитано, что около 10% жителей Норвегии эмигрировали в Соединенные Штаты в надежде найти новую жизнь на американском западе. Бесчисленное количество людей бежало со своей родины, находясь на пароходах Фултона, которые доставляли их в страну возможностей и богатства.

Пока Фултон совершенствовал свое изобретение, другие изобретатели изучали необычные и уникальные возможности использования пара. Хотя мы можем приписать нескольким провидцам разработку безлошадной повозки, ее истинное начало было в начале 19-го века с проекта Ричарда Тревитика. Используя концепцию парового двигателя Оливера Эванса, прикрепив его к задней части кареты как хитроумное приспособление, Тревитик представил автомобиль с паровым двигателем, который мог развивать скорость от четырех до девяти миль в час. Силовая установка на лафете идеально подходила для непрерывного и плавного движения машины. При активации он двигался легко и эффективно по прямой линии. Проблема возникла, когда Тревитик попытался повернуть. В этот момент он вышел из-под контроля, вызвав ужас у жителей поблизости.

 

Раннее промышленное использование энергии пара

Изобретение энергии пара изменило концепцию производства и превратило аграрные общества Европы и Америки в промышленно развитые, городские. Сельскохозяйственные рабочие и крестьяне, которые изо всех сил пытались заработать на жизнь в полях, стекались в трущобы городов в надежде начать новую жизнь. Вещи, которые изготавливались вручную в небольших мастерских, производились в массовом порядке с использованием пара.

На протяжении многих лет Великобритания была известна как мировой лидер в производстве высококачественных тканей, таких как шерсть, лен и хлопок. До промышленной революции эти ткани ткали на ручных ткацких станках в домах и на небольших фабриках прядильщики, ткачи и красильщики. В середине 18-го века появление летающего челнока, прядильного станка «Дженни», водяной рамы и механического ткацкого станка изменило текстильную промышленность, сделав фабрики способными производить ткань того же качества быстрее и экономичнее. Более эффективное производство произвело революцию в отрасли, позволив ей удовлетворить и превысить растущий спрос на текстильную продукцию.

Поскольку пар изменил текстильную промышленность, он оказал такое же влияние и на добычу полезных ископаемых. Использование энергии пара улучшило методы добычи полезных ископаемых и позволило горнякам копать глубже и добывать больше угля и других руд. Первоначально горнякам приходилось вручную переносить грузы из шахт, что требовало больших затрат труда и времени. С появлением паровой энергии сырье можно было вывозить с помощью железнодорожных вагонов и парового транспорта. Кроме того, сильфоны и вентиляторы с паровым приводом обеспечивали лучшую вентиляцию и закачивали воздух глубже в шахтные стволы.

Стационарные паровые двигатели, появившиеся в середине 19-го века, значительно повысили эффективность паровых двигателей, производя больше энергии, потребляя меньше топлива и требуя меньше обслуживания. Динамика этого нового использования пара была задумана Джорджем Генри Корлиссом. Его машины использовали те же основные характеристики паровых двигателей с поршневым приводом, но включали конфигурацию клапана, а также уникальную передачу.

В конструкции Корлисса использовалась пластина для запястья для управления набором клапанов. Каждый цилиндр машины имел по четыре клапана на выпуск и впуск, подобно современным газовым двигателям. Открытие и закрытие клапанов впрыскивают и выпускают пар с точно контролируемой скоростью, приводя в движение поршни. Отсечное устройство помогало поддерживать скорость двигателя, а также могло регулировать колебания нагрузки и предотвращать повреждение двигателя.

 

Усовершенствованный процесс Corliss оказал сильное влияние на производство текстиля и другие отрасли промышленности. Способность машин приспосабливаться и изменяться в зависимости от нагрузки была значительной, поскольку промышленное производство постоянно корректировалось в течение производственного цикла. Благодаря использованию двигателя Corliss удалось повысить производительность и избежать задержек.

С момента его реализации во второй половине 19-го века сотни машин Корлисса использовались, производя тысячи лошадиных сил. Хотя в эксплуатации находилось немногим более тысячи машин, они оказали существенное влияние на объем вырабатываемой производственной мощности. По мере того, как Корлисс совершенствовал и контролировал свое вдохновение, он улучшал его способность производить энергию и управлять оборудованием. Примером важности вклада Корлисса в историю являются версии его паровых двигателей, которые работают сегодня.

 

Рождение железных дорог

Первым источником энергии, до появления пара, была вода. С появлением пара гидроэнергетика потеряла свое значение, поскольку паровое оборудование не зависело от наличия источника воды, позволяющего людям селиться в изолированных местах. Города можно было строить там, где преобладала и легкодоступна паровая энергия. Это объединение людей в нескольких местах оказалось выгодным для бизнеса, поскольку увеличило количество потенциальных рынков и потребовало расширения линий поставок.

В 1763 году Иван Ползунов сконструировал паровую машину с двумя цилиндрами на одном валу. Это был скачок в развитии паровой энергетики, позволивший работать в России без гидроэнергетики. В 1765 году Ползунов построил двигатель мощностью 32 лошадиных силы в качестве воздушного насоса, который был установлен на барнаульских сталелитейных заводах. К сожалению, Ползунов умер в 37 лет от туберкулёза и не смог продолжить свою работу. Его основные концепции сыграли важную роль в разработке первых паровозов.

Хотя концепция безлошадной повозки Ричарда Тревитика потерпела неудачу, она привела к еще одному паровому изобретению, которое способствовало развитию путешествий. Поскольку его машина так хорошо двигалась по прямой, он перенес эту концепцию на рельсы, изобретя первый паровой локомотив, предназначенный для перевозки огромных грузов. За свою жизнь он внес несколько вкладов в развитие паровой энергии и адаптировал ее использование для различных целей. Его самым выдающимся вкладом в технологию паровых двигателей была конструкция и конструкция котла, который был сердцем локомотивного двигателя.

Проблема раннего железнодорожного транспорта вращалась вокруг материалов для производства рельсов, поскольку чугунные рельсы были слишком хрупкими, чтобы выдержать вес парового двигателя. В 18 веке железные рельсы постепенно адаптировались для перевозки людей и грузов. Первая действующая железнодорожная линия появилась в Англии в 1821 году и проходила между Стоктоном и Дарлингтоном на протяжении 12 миль. С его началом родилась эпоха железных дорог.

 

Конструкция паровоза была чем-то похожа на конструкции Ньюкомена и Савери с поршнем, приводимым в движение паром. В отличие от их конструкций, локомотив использовал давление пара, как это использовалось Эвансом и Хорнблауэром, для привода поршня, в то время как двигатели Ньюкомена и Савери использовали вакуум для привода поршня. В случае с локомотивом котел располагался сверху топки, где сжигался уголь для нагрева котла. Пар из котла подавался в цилиндры сбоку от двигателя, которые приводили в движение поршни, приводившие в движение колеса. Исторически появление парового двигателя положило начало скоростным транспортным системам 21 века.

 

Решение проблемы с паровыми машинами и котлами

В начале 20-го века по всей стране с пугающей регулярностью взрывались паровые котлы из-за неисправности предохранительного клапана, длинного рычага на конце котла предназначен для сброса давления в котле. Инженеры могли сбросить давление, отрегулировав железный груз на конце рычага. Когда рычаг находился в неправильном положении, котел перегревался и взрывался. В некоторых случаях операторы затягивали предохранительный клапан, чтобы создать большее давление, не понимая, что это приведет к взрыву. Хотя взрывы были не так распространены на заре существования паровых котлов, опасности, связанные с ними, игнорировались вплоть до вспышки взрывов в начале 20-го века.

Взрыв котла мог разрушить здание и отправить большие куски железа на большие расстояния. За эти годы было несколько бедствий, каждое новое было хуже предыдущего. Чудо пара было разрушено его неправильным использованием и катастрофическими последствиями.

Осознание опасности давления пара стало очевидным в 15 веке, когда Дени Папен усовершенствовал первый предохранительный клапан. Он работал с Ричардом Бойлем, основателем закона Бойля, в Лондоне, чтобы улучшить свой дизайн. Дизайн Папена был реализован Ваттом и другими изобретателями в 18 веке для обеспечения безопасности и защиты.

С 1905 по 1911 год от взрывов котлов погибло 1300 человек. В 1915 году Американское общество инженеров-механиков (ASME) опубликовало свод правил, касающихся конструкции котлов и работы с материалами под давлением. Руководящие принципы ASME привели к технологическим устройствам, предназначенным для управления и контроля устройств, работающих под давлением, которые используются сегодня.

Механизмы сброса давления активируются статическим давлением и предназначены для открытия в условиях, выходящих за рамки нормальной работы устройства, работающего под давлением. Когда давление достигает допуска выше заданного предела, предохранительный клапан активируется, чтобы довести условия до допустимых пределов. Использование мониторов давления является частью любого устройства, создающего давление от водонагревателей до космического корабля.

 

Энергия пара в 21 веке

Может показаться, что пар — это древняя форма энергии, которая изжила себя. На самом деле сила пара в 21 веке повсюду. Независимо от того, является ли топливо углем, газом, нефтью или даже ураном, оно используется для нагрева котла, содержащего воду, для создания пара высокого давления, который приводит в движение лопасти турбины. Самые совершенные электростанции представляют собой просто сложный котел.

В крупнейших городах пар закачивается в здания для обогрева и охлаждения. Очень похожие на катастрофы начала 20-го века, паровые взрывы происходили и в новейшей истории. В 2018 году в Нью-Йорке прорвало паровую трубу, что привело к эвакуации нескольких зданий. В 2017 году в Балтиморе взорвалась паровая труба, разбросав обломки нескольких городских кварталов и создав хаос. Список таких аварий длинный и включает несколько городов США.

 

Страна Исландия использует геотермальную энергию для производства одной четверти своего электричества. Колодцы используют подземные резервуары с водой под давлением, которая выделяет пар для вращения турбин на нескольких электростанциях.

Использование этого древнего источника энергии охватывает весь спектр современных применений: от приготовления пищи в пароварке до метода, используемого для подогрева пищи в столовой. Мы можем думать, что технологии перенесли нас из древних времен в современный мир. На самом деле, древние изобретения являются важной частью сегодняшних удобств.

Локомотивы — Трансконтинентальная железная дорога

Трансконтинентальная железная дорога Главная | Библиотека Линды Холл
ИСТОРИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНАЯ ТЕХНИКА    Краткая история Тихоокеанской железной дороги    Черный порох и нитроглицерин   Сцепки и тормоза   Культурное влияние   Локомотивы   Железнодорожные вагоны   Диаметр рельса   Снежные навесы   Стандартизация времени   Туннели и мосты Этот сайт сделал возможным благодаря BNSF Railway Об этом сайте Посетите библиотеку Линды Холл	На протяжении веков человек пытался использовать механическую энергию тепла и воды. Еще в 200 г. до н.э. в своей книге Pneumatica Герой Александрийский описал устройство, называемое эолипилом, которое считается первой зарегистрированной паровой машиной. Шар с водой был установлен над котлом, и, когда он нагревался, две выступающие изогнутые трубки выпускали струи пара, заставляя шар вращаться. Многие такие устройства были придуманы в последующие века, когда ученые изучали принципы гидравлики, пневматики и свойства газов, но эти устройства не выполняли реальной работы. Только в 1899 г.0225-го -го века в Великобритании паровая машина начала менять не только лицо промышленности, но и отношение человечества к труду и обществу. Как работает двигатель Ньюкомена Вода кипятится для создания пара, который толкает вверх поршень в цилиндре. Шток поршня прикреплен к поперечной балке, и по мере того, как поршень поднимается, вес штока насоса, подвешенного на противоположном конце балки, тянет вниз. Когда поршень достигает верхней части цилиндра, в поршневой цилиндр впрыскивается струя воды, в результате чего пар конденсируется, засасывая поршень обратно вниз. Охлаждающая вода сливается, и цикл повторяется бесконечно. В 1712 году Томас Ньюкомен и его ассистент Джон Калли представили первый коммерчески жизнеспособный паровой двигатель. Атмосферный двигатель Ньюкомена использовал пар для питания насоса. Хотя это было не очень эффективно, сотни таких двигателей использовались для откачки воды из британских угольных шахт и затопленных территорий. В конце 18 -го -го века Джеймс Уатт, человек, которого впоследствии назовут отцом паровой машины, значительно повысил эффективность стационарной машины, когда он запатентовал двигатель «двойного действия», в котором использовался пар высокого давления. с обеих сторон поршня, чтобы удвоить мощность. Его патенты также включали такие вспомогательные устройства, как манометры, дроссельные клапаны и регуляторы пара. В партнерстве с производителем Мэтью Бултоном усовершенствования и изобретения Уатта привели к промышленной революции. После усовершенствований Ватта многие изобретатели пытались приспособить паровой двигатель к видам транспорта как на суше, так и на воде. Достижение движущей силы пара позволило бы человеку впервые в истории путешествовать по суше со скоростью, превышающей скорость домашней лошади. Трамвайный локомотив Тревитика В 1802 году Ричард Тревитик запатентовал «двигатель высокого давления» и создал первый паровой локомотив на рельсах. Тревитик писал 21 февраля 1804 года, после испытаний своего трамвайного паровоза высокого давления, что он «перевозил десять тонн железа, пять фургонов и 70 человек… свыше 9 человек».миль… за 4 часа и 5 минут».  Несмотря на громоздкое звучание, это был первый шаг к изобретению, которое полностью изменит отношение человека к времени и пространству.  Джордж Стефенсон и его сын Роберт построили первый практичный паровоз. В 1814 году Стефенсон построил свой «путевой двигатель», который использовался для перевозки угля на шахте Киллингворт. продолжалось в следующих поколениях паровых двигателей.  Ракета выиграла соревнование на Испытаниях в Рейнхилле, проводившихся для решения вопроса о том, лучше ли передвигать вагоны по рельсам с помощью стационарных паровых двигателей с использованием системы шкивов или с использованием паровых двигателей локомотивов. Модель Rocket выиграла приз в размере 500 фунтов стерлингов со средней скоростью 13 миль в час (без груза Rocket развивала скорость до 29 миль в час), опередив Novelty Брейтуэйта и Эриксона и Тимоти Хакворта. Сан Парей . Стефенсоны включили в свои двигатели элементы, которые использовались в последующих поколениях паровых двигателей. Патентный локомотив Стивенсона Хотя первым локомотивом, работавшим на американской железной дороге, был Stourbridge Lion , построенный в 1828 году и импортированный из Англии Горацио Алленом из Нью-Йорка, британские локомотивы не стали доминировать над американскими. железные дороги, потому что они были слишком тяжелыми для относительно легких и часто неровных американских путей. На самом деле Lion вскоре был переведен в режим стационарной паровой машины. Американские изобретатели и инженеры шли параллельным курсом с британцами, и еще в 1812 году Джон Стивенс обратился в Конгресс с ходатайством о поддержке национальной железной дороги. Он также построил первый американский паровой локомотив в 1825 году. Многотрубный котельный двигатель работал на кольцевой демонстрационной трассе на его территории в Хобокене, штат Нью-Джерси. Хотя ему не удалось получить финансовую поддержку для национальной железной дороги или его локомотива, Стивенс позже основал одну из первых железных дорог Америки, Camden & Amboy Railroad. Tom Thumb Питера Купера, построенный в 1830 году, был первым американским локомотивом, который тянул пассажирский вагон по железной дороге. Несмотря на небольшой размер, он был достаточно мощным, чтобы убедить директоров железных дорог Балтимора и Огайо в практическом применении паровоза. Лучший друг Чарльстона Награда за то, что первым протащил состав вагонов по американской железной дороге на регулярной основе, достается Лучшему другу Чарльстона в 1831 году. Разработанный Э. Л. Миллером и построенный в Нью-Йорке, Best Friend проработал почти шесть месяцев, пока его котел не взорвался, когда рабочий, которого раздражал звук шипящего пара, защелкнул предохранительный клапан. В 1831 году Матиас Болдуин также основал Локомотивостроительный завод Болдуина. Его вторая паровая машина, E.L. Miller создал прототип, на основе которого позже были разработаны двигатели. К концу 19 -го -го века компания Матиаса Болдуина стала крупнейшим производителем локомотивов с одним заводом в мире и доминировала на рынке более ста лет, производя около 59 локомотивов.000 локомотивов. Первые локомотивы были построены с фиксированными колесами, которые хорошо работали на прямых путях, но не так хорошо в гористой местности Америки. Американский инженер-строитель Джон Джервис спроектировал локомотив Experiment в 1832 году, который имел поворотную четырехколесную направляющую тележку, также известную как «тележка», которая могла следовать по рельсам и позволяла локомотивам двигаться по железным дорогам с более узкими колеями. кривые. Локомотив Америка, построенный компанией Grant Locomotive Works в Патерсоне, штат Нью-Джерси, для Парижской выставки 1867 года, стандартный американский локомотив 4-4-0 середины 19-го века.век. Пилот, или «ловец коров», был уникальным для американских локомотивов. Железнодорожные пути не были огорожены, и железнодорожные компании несли ответственность за любой ущерб, причиненный в результате столкновения с животным, которое могло сойти с рельсов локомотива. John Bull, примерно в 1833 году, был одним из первых локомотивов в Америке, оснащенных таким устройством для преодоления препятствий на пути. Вскоре пилоты стали стандартным оборудованием для американских локомотивов. Локомотивы могут быть сконфигурированы несколькими способами, классифицированными по колесной схеме ведущей тележки, ведущих колес и ведомой тележки. Конфигурация 4-4-0 (то есть четыре колеса на ведущей тележке и четыре ведущих колеса без задней тележки) чаще всего использовалась в США и стала известна как американский стандарт. Локомотивы, которые встретились на вершине мыса, Jupiter Central Pacific и Engine No. 119 Union Pacific., были оба локомотивы 4-4-0. Американские производители выпускали локомотивы, равные по мощности британским двигателям, но по более низкой цене. Хотя американские двигатели были искусно украшены дорогой латунной продукцией, а стоимость рабочей силы была выше, чем в Великобритании, американские производители сократили затраты, используя для многих компонентов менее дорогой чугун, а не кованое железо. Железные дороги Америки начинали с использования локомотивов, импортированных из Великобритании, но к концу 19 -го -го века Америка была крупным производителем локомотивов и экспортировала более 2,9 локомотивов. 00 двигателей. Не будет преувеличением сказать, что паровая энергия и локомотивы оказали такое же преобразующее воздействие в 19 веке, как и компьютер в 20 веке. Роберт Терстон в своей книге 1878 года по истории паровой машины сказал, что было бы «излишним пытаться перечислить преимущества, которые она принесла человечеству, поскольку такое перечисление включало бы добавление ко всем удобствам и удобствам». создание почти каждой роскоши, которой мы сейчас наслаждаемся».	БИБЛИОТЕКА ЛИНДА ХОЛЛ РЕСУРСЫ Поиск в коллекции Railroad Journal Кто был кем Что было что Карты и планы Библиография Карты, изображения и другое содержимое, используемое на этом сайте, получено из коллекций Библиотеки Линды Холл. © Библиотека Линды Холл, 2012 г.

№ 69: Паровые двигатели в Англии

№ 69: ПАРОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ В АНГЛИИ Джон Х. Линхард Щелкните здесь для прослушивания аудио эпизода 69. Сегодня давайте посмотрим на паровые машины в Англия восемнадцатого века. Университет Инженерный колледж Хьюстона представляет это сериал о машинах, которые делают наши цивилизация управляется, и люди, чья изобретательность создал их. Паровые машины были английским подарок миру в восемнадцатом веке. Томас Савери начал все это со своего парового насоса в 169 г.8. Он последовала первая настоящая паровая машина Томаса Ньюкомена. двигатель в 1711 году. Когда Джеймс Уатт продал свой первый двигатель в 1769 году, паровые машины существовали уже семьдесят лет. Их было построено почти 600 штук. Что сделал Уатт, так это усовершенствования, которые оставили паровые машины в четыре раза эффективнее. Его первый двигатели выдавали всего около шести лошадиных сил — не намного больше, чем первые двигатели Ньюкомена, но они были меньше и ели гораздо меньше угля. А также менее чем за 20 лет он увеличил производство до целых 190 лошадиных сил. В те времена 190 лошадиных сил никак не подходили под капотом автомобиля. Эти ранние двигатели были громадный. Цилиндры старых двигателей Ньюкомена были от двух до десяти футов в диаметре. Ньюкомен двигатель представлял собой двухэтажное строение. двигатели Уатта были более компактными, но их цилиндры все еще от полутора до пяти футов в диаметре. Историки Канефски и Роби говорят нам, что, как хорошо как бы то ни было, двигатели Уатта не доминировали производство. К концу века более 2000 паровые машины были построены в Англии, и меньше более 500 из них были двигателями Ватт. На самом деле паровые машины так и не стали основными источник энергии в восемнадцатом веке. Большинство сила по-прежнему исходила от водяных колес и ветряные мельницы. Заводы паровых машин никогда не производили более нескольких сотен лошадиных сил в год. Но произошли две вещи: те специализированные задачи, которые были абсолютно существенное значение для промышленной революции, как откачивая воду из шахт, чтобы мы могли уголь и металлы нам нужны. И сила пара была основу для тяжелой энергетики, которая так изменил жизнь девятнадцатого века. К 1800 году суммарная мощность всех паровых двигателей, когда-либо построенных, был примерно таким же, как один из наших современные дизельные двигатели. Они не меняли Английская деревня на ночь. Но они были крадущийся конь величайшей революции в мире когда-либо виденных — агентов перемен, столь далеких превзошел все, о чем когда-либо думали их создатели из. Я Джон Линхард из Хьюстонского университета. где нас интересует, как изобретательные умы Работа. (Музыкальная тема) Канефски Дж. и Роби Дж. Паровые двигатели в Британия 18-го века: количественная оценка, Технология и культура , Vol. 21, № 2, апрель, 1980, стр. 161-186. Этот эпизод был значительно переработан как Эпизод 1440. Из серии Паровые двигатели Фамилиарно Объяснение , 1836 Паровой насос Savery 1698 Из 1832 Эдинбург энциклопедия , 1836 г. Атмосферный паровой двигатель Ньюкомена Из серии Паровые двигатели Фамилиарно Объяснение , 1836 Конденсационный паровой двигатель Уатта Двигатели нашей изобретательности Авторское право © 1988-2018 Джон Х. Линхард. Предыдущий Эпизод | Поиск эпизодов | Индекс | Дом | Далее Эпизод

Сила пара | History of Western Civilization II

Паровая или тепловая машина, выполняющая механическую работу с использованием пара, была впервые описана в I веке н.э. Однако именно конструкции двигателя Савери в 1698 году и двигателя Ньюкомена в 1712 году впервые были использованы в коммерческих целях и вдохновили дальнейшее развитие паровой техники.

Цель обучения

Перечислите ранние версии паровой машины

Ключевые моменты

• Паровая машина — это тепловой двигатель, выполняющий механическую работу с использованием пара. История паровой машины восходит к I веку нашей эры. Греческий математик Герой Александрийский описал первую зарегистрированную рудиментарную паровую машину, известную как эолипил. В последующие века несколько первых паровых двигателей, как и эолипилы, были экспериментальными устройствами, которые изобретатели использовали для демонстрации свойств пара.
• Первым коммерческим паровым устройством был водяной насос, разработанный в 1698 году Томасом Савери, который год спустя продемонстрировал его Королевскому обществу. В патенте нет ни иллюстраций, ни даже описания, но в 1702 году Савери описал эту машину в своей книге «Друг шахтера, или Машина для подъема воды с помощью огня» , в которой он утверждал, что она может выкачивать воду из шахт.

Двигатель

• Savery нашел применение в шахтах и ​​на насосных станциях, а также для подачи водяных колес, используемых в текстильном оборудовании. Привлекательной чертой двигателя Savery была его низкая стоимость. Bento de Moura Portugal представила оригинальное усовершенствование конструкции Savery, «чтобы сделать его способным работать самостоятельно», как описал Джон Смитон в 1751 году. Он продолжал производиться до конца 18 века.
• Первым коммерчески успешным двигателем, который мог генерировать энергию и передавать ее машине, был атмосферный двигатель, изобретенный Томасом Ньюкоменом около 1712 года. Он был усовершенствованием парового насоса Савери, в котором использовался поршень, предложенный Папеном. Ньюкомен заменил приемный сосуд (в котором конденсировался пар) цилиндром с поршнем по конструкции Папена. Вместо того, чтобы вакуум втягивал воду, он опускал поршень.
• Двигатель был относительно неэффективным и в большинстве случаев использовался для откачки воды. Он использовался для осушения горных выработок на ранее невозможных глубинах и для обеспечения многоразового водоснабжения для привода водяных колес на заводах, расположенных вдали от подходящей «головы». Вода, прошедшая через колесо, откачивалась обратно в резервуар для хранения над колесом.

Двигатель

• Newcomen продержался без существенных изменений около 75 лет, постепенно распространяясь на другие районы Великобритании и континентальной Европы. Опыт привел к улучшению конструкции и незначительным усовершенствованиям компоновки. Его механические детали были значительно улучшены Джоном Смитоном, который построил много больших двигателей этого типа в начале 1770-х годов; его улучшения были быстро приняты. К 1775 году было построено около 600 двигателей Ньюкомена.

Ключевые термины

атмосферный двигатель

Двигатель, изобретенный Томасом Ньюкоменом в 1712 году, часто называемый просто двигателем Ньюкомена. Двигатель работал за счет конденсации пара, всасываемого в цилиндр, тем самым создавая частичный вакуум и позволяя атмосферному давлению протолкнуть поршень в цилиндр. Это было первое практическое устройство, использующее пар для выполнения механической работы.

Паровой двигатель

Тепловая машина, выполняющая механическую работу с использованием пара в качестве рабочего тела.

эолипил

Простая безлопастная радиальная паровая турбина, также известная как двигатель Герона, которая вращается при нагреве центрального резервуара для воды. Крутящий момент создается паровыми струями, выходящими из турбины, как в реактивном или ракетном двигателе. В I веке н.э. Герой Александрийский описал это устройство, и многие источники отдают ему должное за его изобретение.

балочный двигатель

Тип паровой машины , в которой поворотная верхняя балка используется для приложения силы от вертикального поршня к вертикальному шатуну. Эта конфигурация с двигателем, непосредственно приводящим в действие насос, была впервые использована Томасом Ньюкоменом примерно в 1705 году для удаления воды из шахт в Корнуолле.

 

Паровая машина — это тепловая машина, которая выполняет механическую работу с использованием пара. История паровой машины восходит к I веку нашей эры. Греческий математик Герой Александрийский описал первую зарегистрированную рудиментарную паровую машину, известную как эолипил. В последующие века несколько первых паровых двигателей, как и эолипилы, были экспериментальными устройствами, которые изобретатели использовали для демонстрации свойств пара. Элементарное устройство паровой турбины было описано Таки ад-Дином в 1551 году и Джованни Бранка в 1629 году.. Херонимо де Аянс-и-Бомонт получил патенты в 1606 году на 50 паровых изобретений, включая водяной насос для осушения затопленных шахт. Дени Папен, гугенотский беженец, усовершенствовал конструкцию парового варочного котла в 1679 году и впервые применил поршень для подъема грузов в 1690 году. год спустя продемонстрировал его Королевскому обществу. В патенте нет ни иллюстраций, ни даже описания, но в 1702 году Савери описал машину в своей книге 9.0045 Друг шахтера, или Машина для подъема воды с помощью огня , в которой он утверждал, что может выкачивать воду из шахт. В двигателе Савери не было ни поршня, ни движущихся частей, кроме кранов. Он работал, сначала поднимая пар в котле, а затем пропуская его в один из первых рабочих сосудов, позволяя ему выдуваться через водосточную трубу в воду, которую нужно поднять. Когда система была горячей и, следовательно, заполненной паром, кран между котлом и рабочим сосудом закрывали и, при необходимости, охлаждали сосуд снаружи. Это заставляло пар внутри него конденсироваться, создавая частичный вакуум, и атмосферное давление выталкивало воду вверх по водосточной трубе, пока сосуд не наполнился. В этот момент кран под сосудом был закрыт, а кран между ним и верхней трубой открыт, и из котла поступило больше пара. По мере того, как давление пара возрастало, вода из сосуда поднималась по восходящей трубе к вершине шахты.

Двигатель Savery 1698, Институт термодинамики человека и IoT Publishing Ltd.

Первоначальный патент Savery от июля 1698 года давал защиту на 14 лет. В следующем году был принят парламентский акт, который продлил его защиту еще на 21 год. Этот закон стал известен как Закон о пожарной машине. Патент Савери распространялся на все двигатели, поднимающие воду с помощью огня, и, таким образом, сыграл важную роль в формировании раннего развития паровой техники на Британских островах.

 Согласно проекту Савери, небольшие двигатели были эффективны, но более крупные модели вызывали проблемы. Оказалось, что они имеют ограниченную высоту подъема и склонны к взрывам котлов. Двигатель получил некоторое применение в шахтах, насосных станциях и для подачи водяных колес, используемых для питания текстильных машин. Привлекательной чертой двигателя Savery была его низкая стоимость. Bento de Moura Portugal представила оригинальное усовершенствование конструкции Savery, «чтобы сделать его способным работать самостоятельно», как описал Джон Смитон в 1751 году. Он продолжал производиться до конца 18 века. Один двигатель все еще работал в 1820 г.

 

Первым коммерчески успешным двигателем, который мог генерировать энергию и передавать ее машине, был атмосферный двигатель, изобретенный Томасом Ньюкоменом около 1712 года. Это было усовершенствование парового насоса Савери, использующее поршень, предложенный Папеном. Ньюкомен заменил приемный сосуд (в котором конденсировался пар) цилиндром с поршнем по конструкции Папена. Вместо того, чтобы вакуум втягивал воду, он опускал поршень. Это использовалось для работы балочного двигателя, в котором большая деревянная балка качалась на центральной оси. С другой стороны балки была цепь, прикрепленная к насосу у основания шахты. По мере того, как паровой цилиндр заполнялся паром, готовя его к следующему рабочему такту, вода втягивалась в цилиндр насоса и выбрасывалась по трубе на поверхность под весом оборудования.

Ньюкомен и его партнер Джон Калли построили первый успешный двигатель этого типа на угольном заводе Конигри недалеко от Дадли в Уэст-Мидлендсе. Двигатель был относительно малоэффективен и в большинстве случаев использовался для откачки воды. Его применяли для осушения горных выработок на ранее невозможных глубинах, а также для обеспечения многоразового водоснабжения для привода водяных колес на заводах, расположенных вдали от подходящей «головы». Вода, прошедшая через колесо, откачивалась обратно в резервуар для хранения над колесом.

Схема паровой машины Ньюкомена, Генри Блэк Ньютон и Харви Натаниэль Дэвис, Практическая физика для средних школ. Фундаментальные принципы и приложения к повседневной жизни, Macmillan and Company, 1913, с. 219.

Двигатель Ньюкомена работал за счет конденсации пара, всасываемого в цилиндр, что создавало частичный вакуум и позволяло атмосферному давлению протолкнуть поршень в цилиндр. Это было первое практическое устройство, использующее пар для выполнения механической работы 9.0003

Двигатель Ньюкомена оставался без существенных изменений в течение примерно 75 лет, постепенно распространяясь на другие территории Великобритании и континентальной Европы. Сначала использовались латунные цилиндры, но они были дорогими и ограниченными по размеру. Новые методы литья чугуна, впервые примененные компанией Coalbrookdale в 1720-х годах, позволили использовать цилиндры большего размера, до 6 футов (1,8 м) в диаметре к 1760-м годам. Опыт привел к улучшению конструкции и незначительным усовершенствованиям компоновки. Его механические детали были значительно улучшены Джоном Смитоном, который построил много больших двигателей этого типа в начале 1770-х годов, и его усовершенствования были быстро приняты. К 1775 году было построено около 600 двигателей Ньюкомена.

Атрибуция

• Ранние паровые двигатели

  • «Эолипил». https://en.wikipedia.org/wiki/Эолипил. Википедия CC BY-SA 3.0.

  • «Балочный двигатель». https://en.wikipedia.org/wiki/Beam_engine. Википедия CC BY-SA 3.0.

  • «Томас Савери». https://en.wikipedia.org/wiki/Томас_Савери. Википедия CC BY-SA 3.0.

  • «Томас Ньюкомен». https://en.wikipedia.org/wiki/Томас_Ньюкомен. Википедия CC BY-SA 3.0.

  • «Паровая энергия во время промышленной революции». https://en.wikipedia.org/wiki/Steam_power_during_the_Industrial_Revolution. Википедия CC BY-SA 3.0.

  • «Атмосферный двигатель Ньюкомена». https://en.wikipedia.org/wiki/Newcomen_atmospheric_engine. Википедия CC BY-SA 3.0.

  • «Паровой двигатель». https://en.wikipedia.org/wiki/Steam_engine. Википедия CC BY-SA 3.0.

  • «Savery-engine. jpg». https://commons.wikimedia.org/wiki/Файл:Savery-engine.jpg. Общественное достояние Викисклада.

  • «800px-Newcomen6325.png». https://en.wikipedia.org/wiki/Newcomen_atmospheric_engine#/media/File:Newcomen6325.png. Википедия Общественное достояние.

Краткая история паровой машины — _remembers

20 февраля 2019

Даже могучая промышленная революция нуждалась в обычной воде — именно в виде пара, который использовался для привода поршней двигателей, насосы и паровозы. Но за новыми технологическими возможностями скрывались невыразимые и неизвестные опасности. В нашей краткой истории парового двигателя мы рассказываем, как была открыта паровая энергия, связанные с ней риски и как ассоциации инспекции паровых котлов, или DÜV, приступили к защите людей от этой технологии.

В начале, как мы все знаем, был огонь. Наши предки использовали его, чтобы отгонять диких животных, превращать сырую глину в горшки, превращать неперевариваемые корни в питательную пищу и превращать враждебные места в дома. И с тех пор человечество никогда не прекращало разрабатывать новые способы обращения элементов в свою пользу: с помощью энергии ветра стало возможным перемалывать зерно в муку и плыть через океаны к неведомым берегам. Сила воды, в свою очередь, использовалась для измельчения зерна или распиливания древесины. Но ветер дует не везде, и корабли и ветряные мельницы простаивают, когда он стихает. Более надежная гидроэнергия не всегда есть под рукой там, где она нужна для привода водяных колес, насосов, жерновов или пил. Потребовалось изобретение парового двигателя, чтобы гарантировать подачу энергии привода в любое место на земле — энергию настолько мощную, что даже рабочие лошади не могли с ней конкурировать. Джеймса Уатта часто называют отцом этой технологии. Однако шотландский изобретатель был отнюдь не первым человеком, исследовавшим его.

Герой Александрийский и Эолипил

Тот факт, что пар может вызвать грохот и поднятие крышки горшка, исследовал античный ученый, а именно Герой Александрийский, еще в первом веке нашей эры. В своей «Пневматике» греческий инженер и математик описал машины, которые можно использовать для преобразования тепловой энергии в кинетическую: Нижняя часть его экспериментальной конструкции состояла из герметичного резервуара с водой, который можно было нагревать над открытым пламенем. Над ним находилась вращающаяся полая сфера, которая соединялась с сосудом двумя монтажными кронштейнами. Когда вода закипала, пар через один из кронштейнов попадал в сферу и снова выходил через две форсунки. Это создаст крутящий момент, который заставит сферу вращаться. Эолипил Героя считается первой задокументированной тепловой машиной в истории, и она останется единственной в своем роде на протяжении многих столетий. Потребовалось еще 1500 лет, чтобы вновь открыть силу пара.

© TÜV NORD

От Дени Папена до Джеймса Ватта

В 1690 году француз Дени Папен представил первый прототип паровой машины, которая работала с использованием поршней и цилиндров. За этим последовало в 1698 году паровое устройство, изобретенное британским инженером Томасом Савери для откачки грунтовых вод из шахт. Хотя устройство не было достаточно практичным, чтобы быть коммерчески жизнеспособным, принцип, лежащий в его основе, был тщательно продуман. Инженер Томас Ньюкомен усовершенствовал процесс в 1712 году и разработал атмосферный паровой двигатель. Хотя это было намного эффективнее, чем машина Савери, она все же требовала много энергии, потому что поршни и цилиндры нужно было нагревать и охлаждать для каждого отдельного рабочего цикла. Проблема, которую Джеймс Уатт решил с помощью своей паровой машины двойного действия, которую он запатентовал в 1769 году.. Он был «двойного действия», потому что цилиндр заполнялся паром попеременно с обеих сторон. В результате машина достигла КПД почти в три процента. С сегодняшней точки зрения это звучит не так уж и много, но это представляет собой шестикратное увеличение производительности паровой машины Томаса Ньюкомена. А поскольку новой технологии нужна единица измерения, которую может использовать каждый, Джеймс Уатт поместил мощность лошади в математическое отношение к выполняемой ею работе и придумал понятие лошадиной силы — или сокращенно HP.

Технология взрывной силы

Разработка парового двигателя вдохновила исследователей и инженеров на создание непрерывного потока новых приложений для этой революционной машины. Он нашел свое применение в ткацких и прядильных мастерских, наладил промышленное производство угля, железа и стали, работающих на полную катушку, и, наконец, открыл новые способы доставки людей и товаров из пункта А в пункт Б как по суше, так и по морю: В 1807 году на реке Гудзон Роберт Фултон объявил о начале эпохи пароходов; первая общественная железная дорога была открыта в Англии в 1825 году. В германских государствах индустриализация также быстро набирала обороты:в Рейнской области и Вестфалии работала всего 651 паровая машина общей мощностью 18 775 л. Распространение новой технологии было взрывным — к сожалению, не в одном смысле этого слова.

© TÜV NORD

27 января 1855 года в Ганновере произошло катастрофическое событие. На местном вагоностроительном заводе взорвался паровой котел, в результате чего семеро рабочих мгновенно погибли, а многие получили тяжелые ранения. Разрушительные аварии, подобные этой, стали обычным явлением. Согласно ранней статистике, только в Германской империи с 1877 по 189 гг.0 произошло более 200 взрывов паровых котлов, в результате которых погибло около 200 человек и более 100 получили серьезные ранения. Наряду с ненадлежащим обслуживанием, недостатками конструкции и избыточным давлением пара, перегрев из-за отсутствия воды был одной из наиболее частых причин взрыва котлов. Это было связано с тем, что перегрев стенок котла мог привести к их растрескиванию, что привело к резкому испарению воды в котле, а внезапный сброс давления привел к мощному взрыву. Установка котлов на заводах часто приводила к разрушительным авариям. Зубчатые колеса с ремнями использовались для использования мощности машин на как можно большем количестве рабочих мест, и эти ремни не могли быть больше определенной длины. Короткие трубы были развернуты, чтобы минимизировать потери пара и тепла. Именно поэтому паровые котлы и двигатели устанавливались рядом с рабочими местами – прямо посреди рабочей силы.

Безопасность благодаря добровольным обязательствам

Встревоженные растущим числом взрывов котлов, европейские государства взяли на себя обязательство остановить волну. Пруссия впервые ввела обязательный нормативный контроль в 1856 году, но этого оказалось недостаточно. Хотя первоначально за наблюдение за паровыми котлами отвечала местная полиция, позже эту задачу взяли на себя официальные геодезисты или местные мастера-строители, однако последние, как и полиция, в большинстве случаев не обладали опытом или специальными знаниями, необходимыми для правильно обращаться с установками.

Гамбургские операторы паровых котлов и судоходные компании пришли к неизбежному выводу, что необходимо вызывать экспертов для контроля безопасности их котлов. Именно по этой причине 15 июня 1869 года они основали «Norddeutscher Verein zur Überwachung von Dampfkesseln в Гамбурге» («Северогерманская ассоциация по наблюдению за паровыми котлами в Гамбурге»). стала известна под своим немецким аббревиатурой DÜV и, подобно ассоциации, основанной в Мангейме, взяла пример с английской модели. Еще в 1855 году английские предприниматели основали Манчестерскую ассоциацию пользователей пара — первую в мире ассоциацию по техническому осмотру. В качестве общественного органа самоуправления эта ассоциация взяла на себя задачу инспектирования котлов своих членов и сократила количество котлов. несчастных случаев до уровня, в десять раз ниже, чем у назначенных государством инспекторов в Пруссии.

© TÜV NORD

Частные наблюдатели за паровыми котлами в Германии также добились значительных успехов за короткое время. В своем инспекционном районе инженеру DÜV из Магдебурга Рудольфу Вайнлигу удалось снизить количество случаев внешних повреждений котлов с 60 до 20 процентов в период между 1871 и 1873 годами, а также сократить опасности, связанные с внутренними работами котлов, которые до этого почти не привлекали внимания. любое внимание, от 30 до 16 процентов.

Аудиенция у «Железного канцлера»

Как технический директор крупнейшего прусского DÜV, он получил назначение к премьер-министру Пруссии Отто фон Бисмарку в 1884 году. Вайнлиг убедил Железного канцлера, что DÜV было бы неплохо не только инспектировать котлы, но и предоставлять разрешений на их эксплуатацию и на официальное испытание и сдачу после ввода в эксплуатацию. Государство также эффективно признало «принципы, созданные ассоциациями по испытанию материалов для строительства паровых котлов» (Вюрцбургские стандарты) и «предложения по расчету толщина панели для новых котлов» (стандарты Гамбурга) в качестве официальных правил.

Промышленным регламентом Рейха от 1 апреля 1900 года DÜV было предоставлено юридическое право контролировать паровые котлы. В результате они не только несли ответственность за безопасность своих членов, но и получили право инспектировать котлы не членов.28 ассоциации с 273 инженерами теперь контролировали 89 000 паровых котлов по всей Германской империи. идеи и внесены предложения по повышению экономической эффективности машин. С этой целью Магдебургское DÜV в 1881 году создало собственную лабораторию, в которой, например, можно было рассчитать теплотворную способность различных видов угля.

© TÜV NORD

Германия в поисках котельного мастера

Но даже самые лучшие технические меры безопасности бесполезны, когда сталкиваешься с человеческим фактором риска. Многие аварии действительно были следствием ошибки оператора. Вряд ли это должно было стать неожиданностью: ведь многие подогреватели паровых котлов обслуживались неквалифицированными и низкооплачиваемыми рабочими. Они понятия не имели, как на самом деле работает котел, в который они целыми днями загребали уголь. По простому невежеству они часто блокировали предохранительные клапаны, затыкали предупредительные свистки или переполняли или недополняли бойлеры водой.

Оружие, использованное DÜV в кампании против несчастных случаев, было учебным. DÜV в Магдебурге наняло опытного кочегара в качестве наставника, в обязанности которого входило обучение местных котельных теории и практике работы паровых котлов еще в 1874 году. Но эти предложения поначалу были глухи со стороны владельцев фабрики. Обучение котельных забрало бы их с завода, стоило бы дополнительных денег и внесло бы небольшой вклад — такова была, по крайней мере, довольно недальновидная оценка многих предпринимателей.

© TÜV NORD

В 1885 году понадобилось соревнование между котельщиками, чтобы окончательно изменить ситуацию. Мало того, что котельные, прошедшие курсы, полностью знали все требования техники безопасности, им еще и требовалось вдвое меньше угля, чем их неподготовленным коллегам, для производства такого же количества пара. Этот потенциал экономии сразу же заставил многих предпринимателей прозреть. Внезапно в моду вошли курсы для котельных — не только в Магдебурге, но и в Ганновере, где до этого тренер котельных DÜV работал вдали от центра внимания.

Это была разработка, от которой выиграли и сами котельники. Из низкооплачиваемых неквалифицированных и подсобных рабочих они превратились в востребованных специалистов, которые могли получать гораздо более высокую заработную плату. Специалисты DÜV по котлам, в свою очередь, превратились в экспертов по безопасности этих новых и более мощных технологий — от электричества до двигателя внутреннего сгорания, — которые положат конец эпохе пара. В их обязанности теперь входили осмотры первых маломощных автомобилей, которые начали ездить по дорогам страны. Это был очевидный новый отход: в конце концов, первые автомобили все еще приводились в движение паровыми двигателями. Слово «шофер», французское название котельного, по сей день напоминает нам об этих часто забытых ранних днях.

Вам также может понравиться

fotolia

История технического мониторинга

От DÜV к TÜV

От промышленной революции к цифровой революции: История TÜV NORD тесно связана с разработками последних 150 лет.

Читать далее

Культура инноваций

Инновационное пространство TÜV NORD

В инновационном пространстве TÜV NORD в Гамбурге команда ищет инновационные идеи для безопасной Индустрии 4.