Революция в промышленности началась в середине XVIII в. в Англии с возникновением и внедрением в промышленное производство технологических машин. Промышленный переворот представлял собой замену ручного, ремесленного и мануфактурного производства, машинным фабрично-заводским.
Рост спроса на машины, строившиеся уже не для каждого конкретного промышленного объекта, а на рынок и ставшие товаром, привел к возникновению машиностроения, новой отрасли промышленного производства. Зарождалось производство средств производства.
Широкое распространение технологических машин сделало совершенно неизбежной вторую фазу промышленного переворота -внедрение в производство универсального двигателя.
Если старые машины (песты, молоты и т.д), получавшие движение от водяных колес, были тихоходными и обладали неравномерным ходом, то новые, особенно прядильные и ткацкие, требовали вращательного движения с большой скоростью. Таким образом, требования к техническим характеристикам двигателя приобрели новые черты: универсальный двигатель должен отдавать работу в виде однонаправленного, непрерывного и равномерного вращательного движения.
В этих условиях появляются конструкции двигателей, пытающиеся удовлетворить назревшие требования производства. В Англии было выдано свыше десятка патентов на универсальные двигатели самых разнообразных систем и конструкций.
Однако первыми практически действующими универсальными паровыми машинами считаются машины, созданные русским изобретателем Иваном Ивановичем Ползуновым и англичанином Джеймсом Уаттом [1].
В машине Ползунова из котла по трубам пар с давлением, немного превышающим атмосферное, поступал поочередно в два цилиндра с поршнями. Для улучшения уплотнения поршни заливали водой. Посредством тяг с цепями движение поршней передавалось мехам трех медеплавильных печей.
Постройка машины Ползунова была закончена в августе 1765 года. Она имела высоту 11 метров, емкость котла 7 м , высоту цилиндров 2,8 метра, мощность 29 кВт.
Машина Ползунова создавала непрерывное усилие и была первой универсальной машиной, которую можно было применять для приведения в движение любых заводских механизмов.
Уатт начал свою работу в 1763 году почти одновременно с Ползуновым, но с иным подходом к проблеме двигателя и в другой обстановке. Ползунов начинал с общеэнергетической постановки задачи о полной замене зависящих от местных условий гидросиловых установок универсальным тепловым двигателем. Уатт начинал с частной задачи -повышения экономичности двигателя Ньюкомена в связи с порученной ему как механику университета в Глазго (Шотландия) работой по починке модели водоотливной паровой установки.
Окончательное промышленное завершение двигатель Уатта получил в 1784 году. В паровой машине Уатта два цилиндра были заменены одним закрытым. Пар поступал попеременно по обе стороны поршня, толкая его то в одну, то в другую сторону. В такой машине двойного действия отработавший пар конденсировался не в цилиндре, а в отдельном от него сосуде - конденсаторе. Постоянство числа оборотов маховика поддерживалось центробежным регулятором скорости.
Главным недостатком первых паровых машин был низкий, не превышавший 9%, КПД [1].
poznayka.org
В апреле 1763 г. Иван Ползунов положил на стол начальника завода неожиданный и дерзкий проект "огненной" машины. Ползунов предназначал ее для приведения в действие воздуходувных мехов; а в дальнейшем мечтал приспособить "по воле нашей, что будет потребно исправлять", но сделать это не успел.В то время в России и мире ни одного парового двигателя еще не было. Единственным источником, из которого ему стало известно, что есть такой на свете, было книга И.В.Шлаттера "Обстоятельное наставление рудокопному делу", изданная в Петербурге в 1760 году. Но в книге были только схема да принцип действия одноцилиндровой машины Ньюкомена, о технологии же ее изготовления - ни слова.
Ползунов позаимствовал у И.В.Шлаттера лишь идею пароатмосферного двигателя, до всего остального додумался сам. Необходимые познания о природе теплоты, свойствах воды, воздуха, пара он почерпнул из трудов М.В.Ломоносова. Трезво оценивая трудности осуществления совершенно нового в России дела, Ползунов предлагал построить вначале в порядке эксперимента одну небольшую машину разработанной им конструкции для обслуживания воздуходувной установки (состоявшей из двух клинчатых мехов) при одной плавильной печи.
На чертеже, приложенном к записке, в объяснительном тексте установка, согласно первому проекту Ползунова, включала: котел - в общем той же конструкции, которая применялась в ньюкоменовских машинах; пароатмосферную машину, состоявшую из двух цилиндров с поочередным движением в них поршней ("эмволов") в противоположных направлениях, снабженных парораспределительной и водораспределительной системами; резервуары, насосы и трубы для снабжения установки водой; передаточный механизм в виде системы шкивов с цепями (от балансира Ползунов отказался), приводящей в движение воздуходувные меха. Водяной пар из котла поступал на поршень одного из рабочих цилиндров. Этим выравнивалось давление атмосферного воздуха. Давление пара лишь незначительно превышало давление атмосферного воздуха. Поршни в цилиндре были соединены цепями, и при подъеме одного из поршня второй опускался. Когда поршень достигал верхнего положения, доступ пара автоматически прекращался, и внутрь цилиндра вбрызгивалась холодная вода. Пар конденсировался и под поршнем образовывался вакуум (разреженное пространство). Силою атмосферного давления поршень опускался в нижнее положение и тянул за собою поршень во втором рабочем цилиндре, куда для уравнивания давления впускался пар из того же котла автоматом, действующим от передаточного механизма двигателя. Тот факт, что поршни с системой передачи движения были связаны цепями, показывает, что при подъеме поршней по цепи нельзя было передавать движения (цепь при этом не натянута). Работали все части двигателя за счет энергии опускающегося поршня. т.е. того поршня, который двигался под действием атмосферного давления. Пар не производил полезной работы в двигателе. Величина этой работы зависела от затраты тепловой энергии на протяжении всего цикла. Количество затраченной тепловой энергии выражало собою величину потенциальной энергии каждого из поршней. Это - сдвоенный пароатмосферный цикл. Ползунов отчетливо представлял принцип работы теплового двигателя. Это видно на примерах, которыми он характеризовал условия наилучшей работы изобретенного им двигателя. Зависимость работы двигателя от величины температуры воды, конденсирующей пар, он определял следующими словами: "действие эмволов и их подъемы и спуски тем сделаются выше, чем в фанталах будет вода холоднее, а паче от такой, которая близ пункта замерзания доходит, а еще не сгустеет и от того во всем движении многую подаст способность".
Это положение, известное ныне в термодинамике в качестве частного случая одного из основных ее законов, до Ползунова еще не было сформулировано. Сегодня это означает, что работа теплового двигателя будет тем больше, чем ниже будет температура воды, конденсирующей пар, а особенно при достижении ею точки затвердевания воды - 0 градусов по Цельсию.
Двигатель Ползунова в его проекте 1763 года предназначался для подачи воздуха в плавильные печи воздуходувными мехами. При желании двигатель легко мог совершать вращательные движения с помощью широко известного в России кривошипного механизма. Проект Ползунова был рассмотрен канцелярией Колывано-Воскресенских заводов и получил высокую оценку со стороны начальника заводов А.И.Порошина. Порошин указывал, что если Ползунов возьмется сделать машину, годную для обслуживания нескольких печей сразу, если он построит машину, пригодную для выливки воды из рудников, то Канцелярия охотно поддержит его замыслы. Окончательное решение этого вопроса оставалось за Кабинетом и хозяйкой заводов - Екатериной II. Проект был направлен в Петербург, но ответ Кабинета был получен в Барнауле только через год.
Указом Кабинета от 19 ноября 1763 г. императрица пожаловала изобретателя в "механикусы" с чином и званием инженерного капитан-поручика. Это означало, что Ползунову теперь было обеспечено жалование в 240 рублей годовых, с добавлением на двух денщиков и содержание лошадей он получал 314 рублей. Ему было обещана награда в 400 рублей. Все это - немалая милость. Она еще раз свидетельствует о том, что императрица Екатерина II любила поддерживать свою славу покровительницы наук и искусств. Но размеры поощрения подтверждают, что значение изобретения Ползунова не поняли в Петербурге.
Пока Кабинет рассматривал проект двигателя, Ползунов, не теряя времени, работал над проектом второй очереди. Он конструировал мощный тепловой двигатель на 15 плавильных печей. Это была уже настоящая теплосиловая станция. Ползунов не просто увеличивал масштабы двигателя, а вносил в него ряд существенных изменений. Уже после того, как проект мощного двигателя был закончен, Ползунову стало известно, что Кабинет, ознакомившись с его первым проектом, присвоил ему звание механика и постановил выдать 400 рублей в награду, но никакого решения по существу вопроса не принял.
Несмотря на такую позицию Кабинета, начальник Колывано-Воскресенских заводов А.И.Порошин разрешил Ползунову приступить к исполнению первой очереди проекта. В марте 1764 года И.И.Ползунов предложил начать строительство большого теплового двигателя. Порошин согласился с этим предложением. Так на Барнаульском заводе началось строительство первой в мире универсальной теплосиловой установки.
Это было серьезное решение, хотя бы потому, что обойдется машина ничуть не дешевле, чем постройка нового завода. От Ползунова потребовали заявку на рабочую силу и материалы. Еще не приступив к строительству машины, изобретатель столкнулся с трудностью: отсутствие способных воплотить его замыслы людей и потребных для строительства инструментов, механизмов. Предстояло построить первый в России паровой двигатель, но не было ни специалистов, способных возглавить строительство, ни квалифицированных рабочих, знакомых с устройством подобных двигателей. Сам Ползунов, принявший на себя обязанности общего руководителя работ, в какой-то мере решил проблему технического руководства, но именно, "в какой- то мере", потому что руководить одному человеку столь новым и сложным техническим предприятием было не под силу.
Не менее трудной оказалась и проблема подбора рабочих. Требовались опытные модельщики, литейщики, кузнецы, слесари, столяры, обжигальщики, специалисты по медному и паяльному делу. По подсчетам Ползунова в сооружении двигателя должны были принять непосредственное участие 76 человек, в том числе 19 высококвалифицированных мастеров. Заполучить таких специалистов на месте представлялось невозможным. Оставался единственный выход; вызвать специалистов с Урала - кузницы технических кадров.
Трудности в приобретении строительных инструментов и механизмов оказались еще более непреодолимыми. По замыслу изобретателя "вся машина должна быть сделана из металла", что неизбежно требовало наличия специального металлообрабатывающего оборудования, которым Россия почти не располагала. Дело усугублялось тем, что строили двигатель на Алтае, а это был район с развитым меде- и сереброплавильным производством, но отсталой литейной, кузнечной и металлообрабатывающей техникой. Предчувствия не обманули изобретателя. Канцелярия полностью утвердила лишь соображения о потребном количестве материалов. Не желая тратить деньги на вызов опытных мастеров с далекого Урала, заводское начальство выделило Ползунову четверых учеников, которых он знал и просил определить к нему, двух отставных мастеровых да четверых солдат для охраны места строительства. Остальных мастеровых (свыше 60 человек)Канцелярия постановила назначать в распоряжение Ползунова по мере надобности, "сколько, когда у него, Ползунова, работы случиться".
Машина строилась сразу в двух местах. Отливка и обработка цилиндров, поддонов и других крупных частей производилась в одном из цехов Барнаульского завода, где можно было использовать водяное колесо, токарные, плющильные (прокатные) станки, вододействующие молоты для изготовления сферических медных листов для сборки котла; мелкие детали отливались и отковывались в помещении временно закрытого стекольного завода, где специально для этой цели была построена небольшая плавильная печь с кузнечным горном при ней. Завод находился в верховьях пруда, в трех верстах от поселка. Такая нагрузка могла вымотать и здорового человека, а у него развивалась чахотка.
К 1765 году части машины были в основном готовы. В оставшееся до зимы время предстояло построить для нее здание, и в нем "крупно соединить", собрать машину. Сделать это Ползунов пообещал к октябрю. Строили первый в мире тепловой двигатель на правом берегу пруда, недалеко от Барнаульского сереброплавильного завода, рядом с небольшим стекольным заводом. Для машины соорудили большой сарай, высотой с трехэтажный дом.
Огромное перенапряжение сил и работа в неотапливаемом помещении до самой ночи, когда холодные металлические детали машин обжигали морозом руки, подорвали здоровье Ползунова. Известно, что с мая 1764 г. по август 1765 г. он трижды обращался к лекарю Барнаульского госпиталя Якову Кизингу за помощью, т.к. был "одержим колотием в груди".
К 7 декабря в основном была закончена сборка машины, и изобретатель решил произвести первый пробный ее пуск, испытать в работе. Но при пуске выявился и целый ряд недостатков (что совершенно естественно). К их исправлению и приступил немедленно Ползунов. К этому времени он переселился в квартиру при стекольном заводе. Не надо было тратить время на дорогу из поселка и обратно. Теперь он пропадал у машины до тех пор, пока силы совсем не оставляли его.
Домой возвращался затемно, насквозь продрогший, еле передвигая ноги, харкая кровью. А на утро, невзирая на уговоры и слезы жены, снова спешил к машине. Было совершенно ясно, что, чувствуя близкий конец, он торопился завершить начатое дело ценой жизни. Короткого зимнего дня не хватало, прихватывали вечера. Известно, что 30 декабря 1765 года Ползунов получил три пуда свечей. К марту, наконец, были доставлены на 8 лошадях громадные крышки воздуходувных мехов, сделанные по проекту изобретателя. Они были установлены, и машина, наконец, полностью собрана. Дело оставалось за плавильными печами.
Весной 1766 года болезнь Ползунова усилилась. 18 апреля у него вочередной раз пошла горлом кровь, после чего он уже не смог подняться с постели. С беспощадной ясностью изобретатель понял, что до пуска машины ему не дожить. 21 апреля Ползунов продиктовал ученику Ване Черницыну (сам уже писать не мог)челобитную на имя императрицы о прошении обещанной премии для своей семьи.
16 мая 1766 г. в шесть часов вечера в г. Барнауле, на Иркутской линии (ныне Пушкинской улице) И.И.Ползунов скончался. Ему было 38 лет.
Через неделю после смерти И.И.Ползунова, 23 мая (5 июня) 1766 г., начались официальные испытания первого в мире теплового двигателя. В первый же день испытатели пришли к заключению, что машина может приводить в движение мехи для подачи воздуха к 10-12 печам. Построенный Ползуновым крупный двигатель значительно отличался по конструкции от той машины, которая была описана им в первоначальном проекте 1763 г. Передача движения к машинам, которые должен был обслуживать двигатель, осуществлялась с помощью балансиров. Цепи, соединяющие поршни двигателя с балансирами, для большей прочности изобретатель сделал из отдельных железных стержней и шарнирными, такого типа, какие известны теперь как "цепи Галля". Питание котла подогретой водой было автоматизировано. Ползунов придумал простой механизм, обеспечивавший сохранение воды в котле на одном уровне во время работы двигателя. Это упрощало труд людей, обслуживающих машину.
Макет паровой машины И.И. Ползунова - Краведческий музей Барнаула
Двигатель И.И.Ползунова его современники называли "плавиленной фабрикой". Высота машины составляла 10 метров, а цилиндров около 3 метров. Тепловой двигатель развивал мощность в 40 лошадиных сил. Сооружение большой, невиданной машины в тех производственных условиях, какие имел И.И.Ползунов, являлось почти сказочным подвигом.
Во время первых испытаний теплового двигателя обнаружились неполадки. В ходе испытаний выяснилось, что между поршнями (эмволами) и стенками цилиндров просачиваются вода и пар, а насосы подают воду в недостаточном количестве. Вызванный со Змеиногорского рудника Козьма Фролов предложил заменить насосы рудничными водоподъемными. Привезли насосы со Змеиногорского рудника, установили, результат получился отличный. Так было доказано, что машина Ползунова способна выполнять еще одну задачу - откачивать воду с рудника. Проживи Ползунов подольше, он, возможно, придумал бы, как с ее помощью приводить в движение станки.
С эмволами дело оказалось сложнее. Кожаное уплотнение быстро истиралось: испытания показали, что для этого лучше подходит пробковая кора. 4 июля произвели пятое и последнее испытание машины. Все механизмы и системы работали хорошо. Заводское начальство решило пустить машину в эксплуатацию. Полтора месяца длились испытания. Большинство недостатков являлись либо следствием упущений строительства, либо такими, какие невозможно было устранить при тогдашнем уровне развития техники. Но ни одного слова упрека не было сказано по поводу общей конструкции самой огнедействующей машины. Все до мельчайших подробностей предусмотрел и учел изобретатель. Закончились испытания, но машина еще целый месяц простаивала без употребления.
В первых числах августа 1766 года наконец-то завершилось строительство плавильных печей, на 4 августа канцелярия назначила пуск машины в эксплуатацию. С раннего утра, нетерпеливо переминаясь с ноги на ногу, у здания невиданной машины толпился народ. Со всего Барнаула собрались любопытные. Более шести часов машина работала вхолостую. Во втором часу пополудни прибыло все заводское начальство. Предстоял торжественный момент задувки печей. Но торжество не состоялось, т.к. в момент задувки поршень левого цилиндра неожиданно остановился в нижнем положении, и машина замерла.
Причину остановки все-таки не обнаружили. На первый взгляд все было в порядке. Только после того, как погасили топку, выпустили из котла пар и произвели тщательный осмотр машины, обнаружилось, что ослабнувшая, видимо, еще в период испытаний гайка, позволила паровому регулятору повернуться на значительно больший угол, чем то предусматривалось. Паровой регулятор заклинился и не поворачивался в стороны. При этом впускное окно оказалось закрытым, пар не имел доступа в цилиндр.
Досадный недосмотр сорвал пуск машины, а ремонт отсрочил его еще на два дня. 7 августа в шесть часов утра механизм пустили вновь, но на этот раз так и не дождались прибытия высокого начальства. В два часа без всякой торжественности задули плавильные печи.
Машина безостановочно действовала более трех суток. За это время проплавили около 400 пудов руды. 10 августа машину остановили вновь. Уплотнитель, изготовленный из пробковой коры плохого качества, рассыпался на крошки стал пропускать в цилиндр холодную воду. Пришлось послать запрос на пробку в тобольскую и екатеринбургскую аптеки. Изыскивая же выход из создавшегося положения, временно использовали для уплотнения кору березы.
10 ноября "пополудни в шестом часу во время весьма порядочного и беспрерывного действия оказалось, за разгоранием под котлом кирпичных сводов, из одного котла не малая водяная течь, так что оною имеющийся под котлом огонь загасило, чего ради принуждены оную машину купно и с плавильными печами остановить". На этом машина Ползунова "работою окончилась". Котел, склепанный из тонкой листовой меди, оказался слабым ее местом. Еще Ползунов указывал, что он к первоначальной пробе только годен, но сделать более прочный на Барнаульском заводе не было возможности.
Общее время полезной работы машины составило 1023 часа (42 суток и 15 часов). За это время было получено серебра 14 пудов 38 фунтов 17 золотников 42 доли, золота 14 фунтов 22 золотника 75 долей. За вычетом всех расходов на постройку машины, оплату плавильщиков, даже 400 рублей награды Ползунову, чистая прибыль составила 11016 рублей 10,25 копейки. А ведь машина работала менее полутора месяцев, да и то не на полную мощность: обслуживала всего три печи. И тем не менее было решено, что в дальнейшем "пущать ее в действо, по изобилию в здешнем заводе воды, за нужно не признавается". Решение это подписал начальник заводов Порошин, еще недавно горячий сторонник "огненной" машины.
Причина была, видимо, в том, что на Колывано-Воскресенских заводах, как и во всей крепостнической России, не было большой надобности в машинах. Подневольных дешевых рабочих рук хватало. Трагедия Ползунова заключалась в том, что он опередил свой век.
В 1784 году Джемс Уатт получил патент на универсальный тепловой двигатель, завоевавший вскоре всемирное признание. А машина Ползунова, простояв 15 лет 5 месяцев и 10 дней, в марте 1782 года была разобрана.
Сегодня рабочая модель двигателя Ползунова находится в Краведческом музее Барнаула.
Имя И. И. Ползунова носит Алтайский государственный технический университет, а напротив него поставлен памятник изобретателю.
В Барнауле также именем Ползунова названа одна из улиц. dedaltai.livejournal.com
Революция в промышленности началась в середине XVIII в. в Англии с возникновением и внедрением в промышленное производство технологических машин. Промышленный переворот представлял собой замену ручного, ремесленного и мануфактурного производства, машинным фабрично-заводским.
Рост спроса на машины, строившиеся уже не для каждого конкретного промышленного объекта, а на рынок и ставшие товаром, привел к возникновению машиностроения, новой отрасли промышленного производства. Зарождалось производство средств производства.
Широкое распространение технологических машин сделало совершенно неизбежной вторую фазу промышленного переворота -внедрение в производство универсального двигателя.
Если старые машины (песты, молоты и т.д), получавшие движение от водяных колес, были тихоходными и обладали неравномерным ходом, то новые, особенно прядильные и ткацкие, требовали вращательного движения с большой скоростью. Таким образом, требования к техническим характеристикам двигателя приобрели новые черты: универсальный двигатель должен отдавать работу в виде однонаправленного, непрерывного и равномерного вращательного движения.
В этих условиях появляются конструкции двигателей, пытающиеся удовлетворить назревшие требования производства. В Англии было выдано свыше десятка патентов на универсальные двигатели самых разнообразных систем и конструкций.
Однако первыми практически действующими универсальными паровыми машинами считаются машины, созданные русским изобретателем Иваном Ивановичем Ползуновым и англичанином Джеймсом Уаттом [1].
В машине Ползунова из котла по трубам пар с давлением, немного превышающим атмосферное, поступал поочередно в два цилиндра с поршнями. Для улучшения уплотнения поршни заливали водой. Посредством тяг с цепями движение поршней передавалось мехам трех медеплавильных печей.
Постройка машины Ползунова была закончена в августе 1765 года. Она имела высоту 11 метров, емкость котла 7 м , высоту цилиндров 2,8 метра, мощность 29 кВт.
Машина Ползунова создавала непрерывное усилие и была первой универсальной машиной, которую можно было применять для приведения в движение любых заводских механизмов.
Уатт начал свою работу в 1763 году почти одновременно с Ползуновым, но с иным подходом к проблеме двигателя и в другой обстановке. Ползунов начинал с общеэнергетической постановки задачи о полной замене зависящих от местных условий гидросиловых установок универсальным тепловым двигателем. Уатт начинал с частной задачи -повышения экономичности двигателя Ньюкомена в связи с порученной ему как механику университета в Глазго (Шотландия) работой по починке модели водоотливной паровой установки.
Окончательное промышленное завершение двигатель Уатта получил в 1784 году. В паровой машине Уатта два цилиндра были заменены одним закрытым. Пар поступал попеременно по обе стороны поршня, толкая его то в одну, то в другую сторону. В такой машине двойного действия отработавший пар конденсировался не в цилиндре, а в отдельном от него сосуде - конденсаторе. Постоянство числа оборотов маховика поддерживалось центробежным регулятором скорости.
Главным недостатком первых паровых машин был низкий, не превышавший 9%, КПД [1].
Специализация паросиловых установок и дальнейшее развитие
Паровых машин
Расширение сферы применения парового двигателя требовало все более широкой универсальности. Началась специализация тепловых силовых установок. Продолжали совершенствоваться водоподъемные и шахтные паровые установки. Развитие металлургического производства стимулировало совершенствование воздуходувных установок. Появились центробежные воздуходувки с быстроходными паровыми машинами. В металлургии начали применять прокатные паросиловые установки и паровые молоты. Новое решение было найдено в 1840 году Дж. Несмитом, объединившим паровой двигатель с молотом.
Самостоятельное направление составили локомобили - передвижные паросиловые установки, история которых начинается в 1765 году, когда английский строитель Дж. Смитон разработал передвижную установку [1]. Однако заметное распространение локомобили получили только с середины XIX века.
После 1800 года, когда кончился десятилетний срок привилегий фирмы "Уатт и Болтон", доставивший компаньонам громадные капиталы, другие изобретатели получили наконец свободу действий. Почти сразу были реализованы не применявшиеся Уаттом прогрессивные методы: высокое давление и двойное расширение. Отказ от балансира и использование многократного расширения пара в нескольких цилиндрах привели к созданию новых конструктивных форм паровых двигателей. Двигатели двухкратного расширения стали оформляться в виде двух цилиндров: высокого давления и низкого давления, либо как компаунд-машины с углом заклинивания между кривошипами 90°, либо как тандем-машины, в которых оба поршня насажены на общий шток и работают на один кривошип [2].
Большое значение для повышения КПД паровых двигателей имело использование с середины XIX века перегретого пара, на эффект которого указал французский ученый Г.А. Гирн. Переход к использованию перегретого пара в цилиндрах паровых машин потребовал длительной работы по конструированию цилиндрических золотников и клапанных распределительных механизмов, освоению технологии получения минеральных смазочных масел, способных выдерживать высокую температуру, и по конструированию новых типов уплотнений, в частности с металлической набивкой, чтобы постепенно перейти от насыщенного пара к перегретому с температурой 200 - 300 градусов Цельсия.
Последний крупный шаг в развитии паровых поршневых двигателей -изобретение прямоточной паровой машины, сделанное немецким профессором Штумпфом в 1908 году.
Во второй половине XIX века в основном сложились все конструктивные формы паровых поршневых двигателей.
Новое направление в развитии паровых машин возникло при их использовании в качестве двигателей электрогенераторов электрических станций с 80 - 90 годов XIX века.
К первичному двигателю электрического генератора предъявлялось требование большой скорости, высокой равномерности вращательного движения и непрерывно возрастающей мощности.
Технические возможности поршневого парового двигателя - паровой машины - являвшегося универсальным двигателем промышленности и транспорта в течение всего XIX века уже не соответствовали потребностям, возникшим в конце XIX века в связи со строительством электростанций. Они могли быть удовлетворены только после создания нового теплового двигателя - паровой турбины.
Паровой котел
В первых паровых котлах применялся пар атмосферного давления. Прототипами паровых котлов послужила конструкция пищеварительных котлов, откуда и возник сохранившийся до наших дней термин "котел".
Рост мощности паровых двигателей вызвал к жизни и поныне существующую тенденцию котлостроения: увеличение
паропроизводительности - количества пара, производимого котлом в час.
Для достижения этой цели устанавливали по два-три котла для питания одного цилиндра. В частности, в 1778 году по проекту английского машиностроителя Д. Смитона была сооружена трехкотельная установка для откачивания воды из Кронштадских морских доков [1].
Однако если рост единичной мощности паросиловых установок требовал повышения паропроизводительности котлоагрегатов, то для увеличения КПД требовалось повышение давления пара, для чего были нужны более прочные котлы. Так возникла вторая и поныне действующая тенденция котлостроения: увеличение давления. Уже к концу XIX века давление в котлах достигало 13-15 атмосфер [2].
Требование повышения давления противоречило стремлениям увеличить паропроизводительность котлоагрегатов. Шар - наилучшая геометрическая форма сосуда, выдерживающая большое внутреннее давление, дает минимальную поверхность при данном объеме, а для увеличения паропроизводительности нужна большая поверхность. Наиболее приемлемым оказалось использование цилиндра - следующей за шаром геометрической формы в отношении прочности. Цилиндр позволяет сколь угодно увеличивать его поверхность за счет увеличения длины. В 1801 году О. ЭЬанс в США построил цилиндрический котел с цилиндрической внутренней топкой с чрезвычайно высоким для того времени давлением порядка 10 атмосфер. В 1824 году СВ. Литвинов в Барнауле разработал проект оригинальной паросиловой установки с прямоточным котлоагрегатом, состоящим из оребренных труб.
Для увеличения котельного давления и паропроизводительности потребовалось уменьшение диаметра цилиндра (прочность) и увеличение его длины (производительность): котел превращался в трубу. Существовали два способа дробления котлоагрегатов : дробились газовый тракт котла или водяное пространство. Так определились два типа котлов: жаротрубные и водотрубные.
Во второй половине XIX века были разработаны достаточно надежные парогенераторы, позволяющие иметь паропроизводительность до сотен тонн пара в час. Паровой котел представлял собой комбинацию стальных тонкостенных труб небольшого диаметра. Эти трубы при толщине стенки в 3-4 мм позволяют выдерживать очень высокое давление [2]. Высокая производительность достигается за счет суммарной длины труб. К середине XIX века сложился конструктивный тип парового котла с пучком прямых, слегка наклоненных труб, ввальцованных в плоские стенки двух камер - так называемый водотрубный котел. К концу XIX века появился вертикальный водотрубный котел, имеющий вид двух цилиндрических барабанов, соединенных вертикальным пучком труб. Эти котлы с их барабанами выдерживали более высокие давления.
В 1896 году на Всероссийской ярмарке в Нижнем Новгороде демонстрировался котел В.Г.Шухова. Оригинальный разборный котел Шухова был транспортабелен, имел невысокую стоимость и малую металлоемкость. Шухов впервые предложил топочный экран, применяющийся в наше время. т£Л №№0№lfo 9-1* #5^^^
К концу XIX века водотрубные паровые котлы позволяли получить поверхность нагрева свыше 500 м и производительность свыше 20 тонн пара в час, которая в середине XX века возросла в 10 раз.
infopedia.su
Революция в промышленности началась в середине XVIII в. в Англии с возникновением и внедрением в промышленное производство технологических машин. Промышленный переворот представлял собой замену ручного, ремесленного и мануфактурного производства, машинным фабрично-заводским.
Рост спроса на машины, строившиеся уже не для каждого конкретного промышленного объекта, а на рынок и ставшие товаром, привел к возникновению машиностроения, новой отрасли промышленного производства. Зарождалось производство средств производства.
Широкое распространение технологических машин сделало совершенно неизбежной вторую фазу промышленного переворота -внедрение в производство универсального двигателя.
Если старые машины (песты, молоты и т.д), получавшие движение от водяных колес, были тихоходными и обладали неравномерным ходом, то новые, особенно прядильные и ткацкие, требовали вращательного движения с большой скоростью. Таким образом, требования к техническим характеристикам двигателя приобрели новые черты: универсальный двигатель должен отдавать работу в виде однонаправленного, непрерывного и равномерного вращательного движения.
В этих условиях появляются конструкции двигателей, пытающиеся удовлетворить назревшие требования производства. В Англии было выдано свыше десятка патентов на универсальные двигатели самых разнообразных систем и конструкций.
Однако первыми практически действующими универсальными паровыми машинами считаются машины, созданные русским изобретателем Иваном Ивановичем Ползуновым и англичанином Джеймсом Уаттом [1].
В машине Ползунова из котла по трубам пар с давлением, немного превышающим атмосферное, поступал поочередно в два цилиндра с поршнями. Для улучшения уплотнения поршни заливали водой. Посредством тяг с цепями движение поршней передавалось мехам трех медеплавильных печей.
Постройка машины Ползунова была закончена в августе 1765 года. Она имела высоту 11 метров, емкость котла 7 м , высоту цилиндров 2,8 метра, мощность 29 кВт.
Машина Ползунова создавала непрерывное усилие и была первой универсальной машиной, которую можно было применять для приведения в движение любых заводских механизмов.
Уатт начал свою работу в 1763 году почти одновременно с Ползуновым, но с иным подходом к проблеме двигателя и в другой обстановке. Ползунов начинал с общеэнергетической постановки задачи о полной замене зависящих от местных условий гидросиловых установок универсальным тепловым двигателем. Уатт начинал с частной задачи -повышения экономичности двигателя Ньюкомена в связи с порученной ему как механику университета в Глазго (Шотландия) работой по починке модели водоотливной паровой установки.
Окончательное промышленное завершение двигатель Уатта получил в 1784 году. В паровой машине Уатта два цилиндра были заменены одним закрытым. Пар поступал попеременно по обе стороны поршня, толкая его то в одну, то в другую сторону. В такой машине двойного действия отработавший пар конденсировался не в цилиндре, а в отдельном от него сосуде - конденсаторе. Постоянство числа оборотов маховика поддерживалось центробежным регулятором скорости.
Главным недостатком первых паровых машин был низкий, не превышавший 9%, КПД [1].
Специализация паросиловых установок и дальнейшее развитие
Паровых машин
Расширение сферы применения парового двигателя требовало все более широкой универсальности. Началась специализация тепловых силовых установок. Продолжали совершенствоваться водоподъемные и шахтные паровые установки. Развитие металлургического производства стимулировало совершенствование воздуходувных установок. Появились центробежные воздуходувки с быстроходными паровыми машинами. В металлургии начали применять прокатные паросиловые установки и паровые молоты. Новое решение было найдено в 1840 году Дж. Несмитом, объединившим паровой двигатель с молотом.
Самостоятельное направление составили локомобили - передвижные паросиловые установки, история которых начинается в 1765 году, когда английский строитель Дж. Смитон разработал передвижную установку [1]. Однако заметное распространение локомобили получили только с середины XIX века.
После 1800 года, когда кончился десятилетний срок привилегий фирмы "Уатт и Болтон", доставивший компаньонам громадные капиталы, другие изобретатели получили наконец свободу действий. Почти сразу были реализованы не применявшиеся Уаттом прогрессивные методы: высокое давление и двойное расширение. Отказ от балансира и использование многократного расширения пара в нескольких цилиндрах привели к созданию новых конструктивных форм паровых двигателей. Двигатели двухкратного расширения стали оформляться в виде двух цилиндров: высокого давления и низкого давления, либо как компаунд-машины с углом заклинивания между кривошипами 90°, либо как тандем-машины, в которых оба поршня насажены на общий шток и работают на один кривошип [2].
Большое значение для повышения КПД паровых двигателей имело использование с середины XIX века перегретого пара, на эффект которого указал французский ученый Г.А. Гирн. Переход к использованию перегретого пара в цилиндрах паровых машин потребовал длительной работы по конструированию цилиндрических золотников и клапанных распределительных механизмов, освоению технологии получения минеральных смазочных масел, способных выдерживать высокую температуру, и по конструированию новых типов уплотнений, в частности с металлической набивкой, чтобы постепенно перейти от насыщенного пара к перегретому с температурой 200 - 300 градусов Цельсия.
Последний крупный шаг в развитии паровых поршневых двигателей -изобретение прямоточной паровой машины, сделанное немецким профессором Штумпфом в 1908 году.
Во второй половине XIX века в основном сложились все конструктивные формы паровых поршневых двигателей.
Новое направление в развитии паровых машин возникло при их использовании в качестве двигателей электрогенераторов электрических станций с 80 - 90 годов XIX века.
К первичному двигателю электрического генератора предъявлялось требование большой скорости, высокой равномерности вращательного движения и непрерывно возрастающей мощности.
Технические возможности поршневого парового двигателя - паровой машины - являвшегося универсальным двигателем промышленности и транспорта в течение всего XIX века уже не соответствовали потребностям, возникшим в конце XIX века в связи со строительством электростанций. Они могли быть удовлетворены только после создания нового теплового двигателя - паровой турбины.
Паровой котел
В первых паровых котлах применялся пар атмосферного давления. Прототипами паровых котлов послужила конструкция пищеварительных котлов, откуда и возник сохранившийся до наших дней термин "котел".
Рост мощности паровых двигателей вызвал к жизни и поныне существующую тенденцию котлостроения: увеличение
паропроизводительности - количества пара, производимого котлом в час.
Для достижения этой цели устанавливали по два-три котла для питания одного цилиндра. В частности, в 1778 году по проекту английского машиностроителя Д. Смитона была сооружена трехкотельная установка для откачивания воды из Кронштадских морских доков [1].
Однако если рост единичной мощности паросиловых установок требовал повышения паропроизводительности котлоагрегатов, то для увеличения КПД требовалось повышение давления пара, для чего были нужны более прочные котлы. Так возникла вторая и поныне действующая тенденция котлостроения: увеличение давления. Уже к концу XIX века давление в котлах достигало 13-15 атмосфер [2].
Требование повышения давления противоречило стремлениям увеличить паропроизводительность котлоагрегатов. Шар - наилучшая геометрическая форма сосуда, выдерживающая большое внутреннее давление, дает минимальную поверхность при данном объеме, а для увеличения паропроизводительности нужна большая поверхность. Наиболее приемлемым оказалось использование цилиндра - следующей за шаром геометрической формы в отношении прочности. Цилиндр позволяет сколь угодно увеличивать его поверхность за счет увеличения длины. В 1801 году О. ЭЬанс в США построил цилиндрический котел с цилиндрической внутренней топкой с чрезвычайно высоким для того времени давлением порядка 10 атмосфер. В 1824 году СВ. Литвинов в Барнауле разработал проект оригинальной паросиловой установки с прямоточным котлоагрегатом, состоящим из оребренных труб.
Для увеличения котельного давления и паропроизводительности потребовалось уменьшение диаметра цилиндра (прочность) и увеличение его длины (производительность): котел превращался в трубу. Существовали два способа дробления котлоагрегатов : дробились газовый тракт котла или водяное пространство. Так определились два типа котлов: жаротрубные и водотрубные.
Во второй половине XIX века были разработаны достаточно надежные парогенераторы, позволяющие иметь паропроизводительность до сотен тонн пара в час. Паровой котел представлял собой комбинацию стальных тонкостенных труб небольшого диаметра. Эти трубы при толщине стенки в 3-4 мм позволяют выдерживать очень высокое давление [2]. Высокая производительность достигается за счет суммарной длины труб. К середине XIX века сложился конструктивный тип парового котла с пучком прямых, слегка наклоненных труб, ввальцованных в плоские стенки двух камер - так называемый водотрубный котел. К концу XIX века появился вертикальный водотрубный котел, имеющий вид двух цилиндрических барабанов, соединенных вертикальным пучком труб. Эти котлы с их барабанами выдерживали более высокие давления.
В 1896 году на Всероссийской ярмарке в Нижнем Новгороде демонстрировался котел В.Г.Шухова. Оригинальный разборный котел Шухова был транспортабелен, имел невысокую стоимость и малую металлоемкость. Шухов впервые предложил топочный экран, применяющийся в наше время. т£Л №№0№lfo 9-1* #5^^^
К концу XIX века водотрубные паровые котлы позволяли получить поверхность нагрева свыше 500 м и производительность свыше 20 тонн пара в час, которая в середине XX века возросла в 10 раз.
megalektsii.ru
Создание универсального парового двигателя просмотров - 194
В последней трети XVII в. в качестве движущей силы начинают использовать силу пороха и пара. В 1673ᴦ. Х.Гюйгенс представил в Парижскую академию наук проект порохового двигателя в форме цилиндра с поршнем: порох, взрываясь под поршнем, должен был толкать его вверх. После остывания пороховых газов поршень должен был под атмосферным давлением опуститься вниз. Существенных результатов проект не дал, хотя эксперименты продолжались два года (ведь это был прообраз двигателя внутреннего сгорания!).
Еще в 1666 ᴦ. Х. Гюйгенс предлагал использовать вместо пороха силу пара. Эту идею развил Дени Папен (1647–1712) – французский физик, который был помощником Гюйгенса при создании им порохового двигателя. В 1690 ᴦ. он предложил проект поршневой пароатмосферной машины. В цилиндр наливали воду, которую подогревали огнем и получали пар, поднимавший поршень до верхнего уровня. Затем упором фиксировался шток. Огонь убирался, и цилиндр охлаждался водой. В результате пар конденсировался и под поршнем создавался вакуум. Когда убирался упор, то поршень под давлением атмосферы опускался, что позволяло штоку через систему блоков поднимать груз на определенную высоту. В 1705–1706 гᴦ. Дени Папен предложил более совершенную конструкцию своей машины, но все это не нашло широкого практического применения.
В 1698 ᴦ. Томас Севери (1650-1715) в Англии построил первую практически применимую паровую машину (“Друг рудокопов”), предназначенную для откачки грунтовой воды из шахт. В схеме парового насоса Т. Севери (рис.14) паровой котел был отделен от рабочего сосуда, однако работа пара (расширение) и его конденсация по-прежнему происходили в одном и том же объеме. Пар, поступая из котла в сосуд, вытеснял оттуда воду в нагнетающую трубу через нагнетательный клапан, затем закрывался паровой кран, а сосуд обливался холодной водой с помощью водяного крана, в результате чего пар конденсировался. Под давлением атмосферы (вакуума в сосуде) вода из шахты через всасывающий клапан поднималась в сосуд. И цикл повторялся. Длина всасывающей трубы не превышала 10 м; высота нагнетательной трубы была около 30 м; давление в рабочем сосуде не превосходило 3 атм; расход угля составлял 80 кг/1 л.с. в час. Ни цилиндра, ни поршня в этой машине не было. Машина предназначалась только для откачки воды, и пар непосредственно воздействовал на перекачиваемую воду. Такая машина была первой паровой машиной, приобретенной в России Петром I для обслуживания фонтана в Летнем саду С-Петербурга.
В 1711–1712 ᴦ. англичанин, кузнечный мастер Томас Ньюкомен (1663–1729) совместно с Джоном Коули построил первую паровую поршневую машину. Внутри вертикального рабочего цилиндра двигался поршень, связанный с одним концом балансира, другой конец балансира был соединен со штангами водоотливного насоса. В этой машине движение поршня вверх (холостой ход) совершалось под действием пара, поступавшего под поршень из парового котла. Движение вниз (рабочий ход) осуществлялось под действием атмосферного давления, после того как пар под поршнем охлаждался впрыском холодной воды. Цикл заканчивался после удаления конденсата из рабочей камеры через специальный сливной кран.
Машина Т. Ньюкомена совершенствовалась более полувека, в том числе И.И. Ползуновым (1763–1765) и Дж.Уаттом (1769–1774), но широкого применения, кроме откачки воды, не получила. Эти первые паровые машины не применялись для непосредственного приведения в движение каких-либо механизмов, хотя теоретически это допускалось.
Иван Иванович Ползунов (1729–1766) изобрел и построил в 60-х годах XVIII в. в России первую универсальную паровую двухцилиндровую машину с автоматическим пароводяным распределительным устройством.
Рис.14. Схема парового насоса Томаса Севери
Паровой двигатель Джеймса Уатта
С именем английского теплотехника Джеймса Уатта (1736–1819) связан революционный скачок в создании паровой машины, над которой он начал работать с 1764 ᴦ. Основные особенности его универсального парового двигателя (рис.15) заключаются в следующем:
1. Наличие отдельного конденсатора обеспечивающего охлаждение пара вне рабочего цилиндра в специальной емкости.
2. Использование рабочего цилиндра двойного действия, в котором пар попеременно действует то на одну, то на другую стороны поршня.
3. Автоматическое золотниковое распределительное устройство – специальное приспособление для подачи пара в разные полости цилиндра, приводимое в движение с помощью рычажной системы от штока рабочего поршня.
4. Применение махового колеса для выравнивания скорости вращательного движения.
5. Механизмы и передачи для преобразования возвратно-поступательного движения штока рабочего цилиндра в другие виды механического движения (в частности, во вращательное движение главного вала паровой машины).
6. Механический центробежный регулятор оборотов, который обеспечивал постоянство скорости вращения главного вала машины, изменяя подачу пара в рабочий цилиндр.
Рис.15. Схема паровой машины Джеймса Уатта
В 1785 ᴦ. первый двигатель Д.Уатта был установлен на прядильной фабрике. Затем эти двигатели стали внедряться во все отрасли промышленности Англии, Франции, США, России. Первый в мире пароход «Клермонт» Роберта Фултона (1765-1815) был спущен на воду в США в 1807 ᴦ. Первый паровоз «Ракета» был построен в Англии в 1814ᴦ. Джорджем Стефенсоном (1781–1848) (хотя еще в 1803 ᴦ. самый первый паровоз сконструировал англичанин Р. Тревитик).
Первое описание машины Д.Уатта в России было дано в 1787 ᴦ., а в 90-е годы их уже стали изготавливать на заводах России.
В первых паровых двигателях Д. Уатта давление пара лишь немного превышало атмосферное. В конце XVIII в. стали повышать давление пара. Американец О. Эвенс в 1800 ᴦ. обосновал повышение давления до 8–10 атм, а в 1822 ᴦ. проводились опыты по созданию двигателей с давлением в 45–50 атм, что опередило запросы того времени. Золотниковое распределение заменили клапанным. Некоторые паросиловые установки имели в 1860 –1870 гᴦ. мощность в 1000 л.с.
Вплоть до 1860–1870ᴦ. паровая машина двойного действия была основным двигателем любой силовой установки, и такие двигатели использовались в некоторых странах на пароходах и паровозах до 60-х годов ХХ века (ᴛ.ᴇ. почти 200 лет). При фабриках и заводах строились котельные и машинные отделения, откуда паровые двигатели передавали вращательное движение трансмиссионными валами в производственные цехи к станкам и технологическим механизмам. В 1830 году появляются локомобили – передвижные несамоходные паровые двигатели, используемые в сельском хозяйстве и в строительстве.
Именно распространение паросиловых установок и крайне важность их расчетов и проектирования определило появление и дальнейшее развитие теории автоматических машин и теории автоматического регулирования и управления.
В 1860 ᴦ. французским изобретателем Этьеном Ленуаром был предложен двигатель внутреннего сгорания с электрическим зажиганием газа, однако КПД этого двигателя был очень низок. В 1862 ᴦ. французский инженер Бо-де-Роша получил патент на двигатель внутреннего сгорания четырехтактного цикла, который был реализован лишь в 1878 году, он же в 70-е годы 19-го столетия предложил для паровых машин передаточный механизм - дифференциал.
Еще в 1820–1830 гᴦ. появились первые электродвигатели (П. Барроу, Дж. Генри, У. Риччилф). Источником тока для них служили гальванические элементы, в связи с этим практического использования эти электродвигатели не нашли. В 1834ᴦ. русский ученый Борис Семенович Якоби (1801–1874) построил первый практически применимый электромагнитный двигатель. В 1838–1839гᴦ. он использовал его на водяном транспорте. Но время таких двигателей еще не пришло.
В последней трети XVII в. в качестве движущей силы начинают использовать силу пороха и пара. В 1673г. Х.Гюйгенс представил в Парижскую академию наук проект порохового двигателя в форме цилиндра с поршнем: порох, взрываясь под поршнем, должен был толкать его вверх. После... [читать подробенее]
oplib.ru
