В каком веке изобрели паровой двигатель
ПАРОВАЯ МАШИНА
ПАРОВАЯ МАШИНА — тепловой двигатель, в котором потенциальная энергия пара, поступающего из парового котла, преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня.
Рабочий процесс паровой машины обусловлен периодическими изменениями давления пара в цилиндре (пар, поступающий в цилиндр паровой машины, расширяется и перемещает поршень). Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется с помощью кривошипного механизма во вращательное движение вала. В паровой машине двойного действия (повышает скорость работы, улучшает плавность хода) пар, с помощью системы парораспределения, поочерёдно подаётся по обе стороны цилиндра, отработанный пар с другой стороны выходит в атмосферу или в конденсат. Для снижения тепловых потерь цилиндр паровой машины окружается паровой рубашкой (камера для поддержания примерно постоянной температуры стенок цилиндра).
Паровые машины разделяются по назначению — на стационарные, нестационарные (передвижные и транспортные); по используемому пару — низкого давления (до 1,2 МПа), среднего давления (до 6 МПа), высокого давления (свыше 6 МПа); по числу оборотов вала — тихоходные (до 50 об/мин), быстроходные (до 1000 об/мин); по давлению выпускаемого пара — конденсационные (давление в конденсаторе 0,01-0,02 МПа), выхлопные (давление 0,11-0,12 МПа), теплофикационные с отбором пара на нагревательной цели или для паровых турбин (давлением от 0,12 МПа до 6 МПа) в зависимости от назначения отбора (например, отопление, регенерация, технологические процессы); по расположению цилиндров — горизонтальные, наклонные, вертикальные; по числу цилиндров — одноцилиндровые, многоцилиндровые, сдвоенные, строенные и другие, в которых каждый цилиндр питается первичным паром одних и тех же параметров (включены параллельно). Различают паровые машины многократного расширения, в которых пар последовательно расширяется в 2, 3, 4 цилиндрах возрастающего объёма, переходя из цилиндра в цилиндр через так называемые ресиверы (коллекторы). Особую группу составляют прямоточные паровые машины, в которых выпуск пара из полости цилиндра осуществляется кромкой поршня (через дополнительное окно, открывающееся поршнем в конце каждой фазы, через которое пар покидает цилиндр), что повышает эффективность машины.
Первое известное устройство, приводимое в движение паром (эолипил), было описано Героном Александрийским. Первые опыты с паром в качестве средства для привода проводились ещё в XVII веке. В 1680 году Д. Папен изобрёл паровой котёл, в 1698 году Т. Севери изобрёл паровую машину для откачки воды из шахт (паровой нагнетательно-всасывающий насос). В 1707 году насос Севери был выписан Петром I и установлен в Летнем саду в Санкт-Петербурге для подачи воды в фонтан.
Совершенствование и интенсивное использование паровой машины началось с XVIII века, когда основной недостаток гидросиловых установок (зависимость от местных условий) стал препятствовать развитию металлургических предприятий, внедрению в производство прядильных, ткацких машин и других. В 1712 году Т. Ньюкомен изобрёл паровую машину для привода шахтных насосов. В России паровая машина Ньюкомена была установлена в 1772 году в Кронштадте для откачки воды из дока. Первая в России паровая машина построена И.И. Ползуновым в 1764-1766 годы для привода воздуходувных мехов плавильных печей. Первая паровая машина как универсальный двигатель впервые создана Дж. Уаттом в 1774-1784 годы. В России Паровую машина Уатта впервые стали изготовлять под руководством К.К. Гаскойна на Александровской мануфактуре в 1805; одна из машин мощностью 60 л. с. (44,1 кВт) в 1820 году была поставлена на Санкт-Петербургский монетный двор. Начиная с 1820 года Е.А. и М.Е. Черепановы построили около 20 паровых машин мощностью от 2 до 60 л. с. (от 1,47 до 44,1 кВт). Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, паровозах, пароходах, паровых автомобилях и других транспортных средствах.
Паровая машина уже ко 2-й половине XIX века достигла высокой степени совершенства. За 100 лет развития мощность паровой машины повысилась от 5-10 л. с. (3,68–7,35 кВт) до 20000 л. с. (14,7 МВт); давление подаваемого пара от 0,01 МПа до 12 МПа; температура пара от 100 до 400 °C; число оборотов от 20-30 до 1000 об/мин.
Однако в середине XX века паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами, кпд которых выше. В своём развитии паровые машины способствовали появлению новых областей знания; созданные на основе производственного опыта паровые машины поставили перед учёными ряд вопросов, разрешение которых создало новую науку — техническую термодинамику.
Инженер и изобретатель Джеймс Ватт
19 января 1736 года родился Джеймс Ватт — английский изобретатель, именем которого названа единица мощности ватт. Усовершенствование паровой машины, сделанное Ваттом, является одним из самых выдающихся событий в истории техники. Это было одно из тех изобретений, которые положили начало промышленной революции в Англии во второй половине XVII века.
Биография Джеймса Ватта чрезвычайно интересна и поучительна. Она может быть образцом биографии великого инженера, который не только что-то изобретает, но и доводит дело до производства и широкого применения своего изобретения.
К паровой машине
Джеймс Ватт родился в небольшом шотландском городке Гриноке. Его отец строил дома и корабли, а также имел мастерскую, где изготовлялись различные инструменты. Маленький Джеймс Ватт был слабым ребенком. Хотя его рано отдали в бесплатную начальную школу, из-за болезней он часто оставался дома. Самостоятельно приобрел неплохие знания физических и математических наук. Особое впечатление на него произвела книга голландского ученого Гравезанда «Основные начала физики», написанная под влиянием идей Ньютона. В родительской мастерской освоил различные инструменты.
Когда Ватту исполнилось 18 лет, решили выучить его на механика — так тогда называли мастера, который изготавливал точные математические, геофизические и вообще физические приборы. Летом 1754 г. Джеймс Ватт отправился учиться ремеслу в Глазго, поселился у своего дяди Мюрхеда, профессора древних языков Глазговського университета. Пробыл год учеником в одной мастерской, но стало понятно, что получить там основательную подготовку невозможно. Благодаря дяде познакомился с несколькими профессорами университета, что потом очень пригодилось.
С согласия отца Ватт поехал в Лондон. Оказалось, что здесь, чтобы стать мастером, согласно цеховыми законам, необходимо было быть учеником семь лет и заплатить значительную сумму за обучение. Джеймсу удалось найти бесплатное место у одного часовщика, который учил его еще и гравировке. Через некоторое время Ватт поступил учеником в мастерскую к Джону Моргану на один год с оплатой за обучение 20 фунтов стерлингов. Дела у отца ухудшились, молодой Ватт жил очень экономно, искал дополнительный заработок. Но несмотря на это, Ватт продемонстрировал большое стремление к овладению ремеслом. Начав с выполнения простых работ, через год производил такие сложные инструменты, как отражающий секстант.
В конце 1756 г. Дж. Ватт поехал в Глазго, где хотел открыть собственную мастерскую по изготовлению математических инструментов, но не получил разрешение цеха. К счастью, с помощью знакомых профессоров ему удалось стать механиком университета Глазго. Работа в университете, безусловно, имела решающее значение для будущего и Ватта и истории техники. В частности, Ватт познакомился с известным физиком и химиком Дж.Блеком, который открыл так называемую скрытую теплоту парообразования. Ватт также подружился со многими студентами. Известный профессор Робизон вспоминал о том, как будучи студентом, познакомился с Ваттом и был поражен его знаниями. Студенты, встречаясь с трудностями, часто обращались к молодому механику за советом. А тот, если не знал ответа на вопрос, начинал его изучать. Чтобы прочитать одну из первых работ, посвященных машинам, Ватт изучил немецкий язык, впоследствии по аналогичному поводу — итальянский.
Изобретение
Серьезно паровой машиной Ватт стал заниматься после того, как зимой 1763-1764 гг. отремонтировал модель паровой машины Ньюкомена, принадлежавшую факультету натуральной философии Глазговского университета.
Паровая машина Ньюкомена была изобретена в 1711 г. и со временем нашла широкое применение для откачки воды из угольных шахт. Усовершенствованная машина Ньюкомена действовала следующим образом. В котле кипела вода. Над котлом размещался цилиндр машины, прикрепленный к балке дома. Когда поршень поднимался, в цилиндр впускали пар. После достижения поршнем верхнего положения, подачу пара перекрывали, а в цилиндр впрыскивали холодную воду. Пара конденсировалась, создавалось разрежение, и за счет атмосферного давления поршень двигался вниз — это было рабочее движение машины.
Когда Ватт отремонтировал модель машины Ньюкомена, оказалось, что она нуждается во впрыске чрезмерного количества холодной воды. Заинтересовавшись этим явлением, Ватт начал всесторонние исследования. Он пришел к выводу, что плохая работа модели по сравнению с настоящей машиной Ньюкомена обусловлена конденсацией свежего пара при впуске в цилиндр. Он провел опыты, в которых изучал основные свойства пара: связь между давлением и температурой, определение удельного объема пара, скрытой теплоты парообразования. После этого он ищет средства для уменьшения начальной конденсации пара. Решил, что для лучшего использования пара необходимо, чтобы цилиндр имел температуру пара, входящего в него, и не охлаждался. Соответственно, Ватт придумал конденсировать пар в отдельном холодильнике. Следует отметить, что, проводя опыты, Ватт советовался с Дж.Блеком.
Кроме отдельного холодильника, Ватт сделал несколько других усовершенствований: предложил для уплотнения поршня использовать воск или жиры, закрыть цилиндр сверху крышкой, через которую проходит круглый шток. Кроме того, предложил оббивать цилиндр деревом или другим утеплителем.
Реализация изобретения
В 1765 г.. Ватт строит все большие и большие модели своей машины и убеждается в правильности принятых решений, но для продолжения исследований не хватало средств. Друзья, особенно Блэк, пытались помочь Ватту, организовав поддержку какого-то капиталиста. Сначала Ватту помог друг Блэка доктор Ребук — известный химик и железозаводчик.
Соглашение, которое заключили Ватт и Ребук, предусматривало, что последний получит две трети прибыли, полученной от использования паровой машины. Вместо этого он обязался финансировать опыты с машиной и оплатить получение патента. 5 января 1769 г. Ватт получил патент на «способ уменьшения расхода пара и вследствие этого — горючего в огненных машинах». Патент был выдан на 14 лет. Было начато изготовление больших машин, но впоследствии дела Ребука ухудшились и работы прекратились.
Надо отметить, что в 1768 г. Дж.Ватт познакомился с выдающимся инженером и предпринимателем М.Болтоном — владельцем металлообрабатывающего завода в Бирмингеме — и хотел привлечь его третьим в компании, но Болтон отказался. Когда же в 1773 г. Ребук обанкротился, машина Ватта и права на будущие доходы перешли в ведение конкурсного управления кредиторов, и Болтон выкупил их. При этом он заключил соглашение с Ваттом на тех же условиях, что и Ребук: брал на себя расходы, связанные с опытами и изготовлением паровой машины, а также коммерческую сторону предприятия. Ватт же обязался проводить дальнейшие исследования и конструирование машины.
В 1774 г.. Ватт переселился в Бирмингем и с этого времени начался наиболее плодотворный период его деятельности — осуществление первоначального проекта водоподъемной машины и создание нового типа машины — специально для заводских целей.
Сначала переделали некоторые детали, собрали и запустили машину, изготовленную на заводе Ребука с цилиндром диаметром 18 дюймов (457 мм) и ходом поршня 5 футов (1,5 м). Испытания показали, что эта машина в 3-4,5 раза экономичнее, чем машины Ньюкомена.
Но прежде чем организовывать производство машин, Ватт и Болтон позаботились о продлении срока действия патента. Этот вопрос рассматривался парламентом, который продлил действие патента на 25 лет, то есть до 1800 г.
Стали поступать заказы на машины. В 1780 г. Ватт построил 40 машин, половина из которых была установлена в медных рудниках в Корнуэльсе. Болтон вел дела на заводе, а Ватту приходилось много времени проводить в Корнуэльсе — заниматься установкой машин, их запуском, испытаниями, финансовыми расчетами с владельцами приисков. Сначала производство не давало прибыли: организация производства требовала постоянных расходов. К тому же владельцы рудников платили за патент не вовремя. Против неплательщиков нарушали судебные дела, которые, как это принято в Англии, шли очень медленно и требовали затрат. Только в 1786-1787 гг. дела улучшились, в частности, были выиграны процессы против владельцев шахт относительно вознаграждений.
Были и другие трудности. В частности, на заводе не было достаточного количества хороших рабочих. Из-за отсутствия квалифицированных помощников Ватт сам проводил опыты, составлял чертежи и устанавливал свои машины. Со временем на заводе сложился «нормальный» тип водоподъемных машин простого действия (см. Рисунок), которое применялось для откачки воды.
Совершенствование паровой машины
Первым и одним из важнейших усовершенствований паровой машины стало применение расширения пара, подача пара в цилиндр не на полном ходу поршня. Патент на это изобретение Ватт взял в 1782 г.. У описании изобретения Ватт указывал на четверть хода поршня как на выгодную продолжительность впуска пара.
Чтобы паровая машина могла применяться для приведения в движение станков, необходимо было превратить колебательное движение балансира в непрерывное вращение вала. Проще всего это можно было реализовать, применив шатун с кривошипом. Но в 1780 г. какой-то Пикар взял патент на применение кривошипа в «огненных машинах». Поэтому Ватт нашел другие пути для решения проблемы, в частности, изобрел механизм, так называемое «солнечное и планетарное колесо», который применялся в машинах Ватта до окончания срока действия патента Пикара.
Далее Ватт взял патент на машину двойного действия, в которой пар давил на поршень попеременно с обеих сторон. Но создание машины двойного действия потребовало изменения способа передачи усилия от поршня к балансиру: цепная передача, которая применялась ранее, не могла передавать сжимающих усилий. Тогда Ватт создал так называемый параллелограмм Ватта.
Машина, которая предназначена для приведения в действие станков должна иметь высокую равномерность хода. Чтобы обеспечить это, Ватт изобрел автоматический регулятор — отцентровой регулятор, соединенный с дроссельным клапаном.
Впоследствии он сделал много других нововведений — применил ртутный манометр для измерения давления в котле, водомерное стекло в котлах, ртутный вакууметр в конденсаторе. Сделал также многие другие изобретения.
Впоследствии заслуги Ватта стали общепризнанными. В 1784 году его избрали членом Эдинбургского Королевского общества, в 1785 г. — Лондонского, а в 1814 г. — Парижской Академии наук.
Уатт Джеймс
Шотландский изобретатель, создатель первой паровой машины, применимой в промышленности.
Джеймс Уатт стал ключевой фигурой в Промышленной революции.
«На самом деле Джеймс Уатт не был первым человеком, который изобрёл 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 её улучшенную версию. Однако машина Ньюкомена обладала такой низкой производительностью, что её использовали только для откачки воды из угольных шахт.
Уатт заинтересовался паровой машиной в 1764 году, когда он ремонтировал модель машины, изобретённой 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 в 1769 году, была изолированная камера для конденсации. Он также изолировал паровой цилиндр, а в 1782 году он изобрёл 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 также изобрёл (1788) центробежный регулятор, при помощи которого осуществлялся автоматический контроль за скоростью машины, манометр (1790), счётчик, 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».
Майкл Харт, 100 великих людей, М., «Вече», 1998 г., с. 130-131.
Вторая жена Джеймса Уатта «… ненавидела кожаные фартуки и запачканные руки мужа, так что Уатту пришлось перенести мастерскую на чердак, где он мог считать себя в безопасности от её веника и ведра с водой. От её «мании чистоты» страдали даже её собачки, которые не смели переступить порог, прежде чем им не вытрут лапки. Когда она ложилась спать, а муж в условленное время не следовал за нею, она приказывала слуге загасить у него свечи, даже в том случае, когда он принимал гостей. Суровая домашняя обстановка вынуждала Уатта по целым дням оставаться у себя на чердаке, где он сам же готовил себе скромные обеды. Нет худа без добра. Трудно сказать, сделал бы Уатт своё великое открытие, будь у него жена более ласковая и покладистая, приковывавшая больше, чем мастерская».
Дубинский Н., Женщина в жизни великих и знаменитых людей, М., «Республика», 1994 г., с. 261.
Макс Вебер в «Истории хозяйства» посчитал появление универсального источника энергии (неограниченная мощность, независимость от природных факторов) одним из моментов начала промышленной революции наряду с углём (независимость от дров) и сталью (независимость от природных материалов). Итогом предпринимательских усилий стало появление прядильной машины, парового двигателя и высокопроизводительных ткацких станков, что незамедлительно отправилось на результатах промышленного производства в Англии.
ПАРОВЫЕ АВТОМОБИЛИ. ПАРОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Слово «автомобиль» означает » самодвижущаяся повозка». Первые изобретения самодвижущихся повозок, оснащенных паровыми двигателями относятся к концу 17 века.
В работах И. Ньютона, относящихся к 1663 году, был найден рисунок тележки, приводимой в движение паровым реактивным двигателем. Котел с водой поставлен на колеса. Внизу помещается топка. Пар, вырываясь из отверстия сзади, дает реакцию, которая должна двигать повозку. Модель, созданная по его расчетам много позднее, оказалась действующей.
Монах-иезуит Фердинандо Фербиста из Бельгии построил (1672г.) действующую модель-игрушку самодвижущейся повозки. Его модель имела 60 см в длину и приводилась в движение паровым двигателем. Эта конструкция была затем описана в сочинении «Астрономия Европы».
Еще в начале 18 века И. Ньютон спроектировал, а кузнец Т. Ньюкомен воплотил в жизнь «паровую телегу», которая, вследствие своей громоздкости и чрезвычайной прожорливости топлива, не смогла выйти за рамки рудничных дворов, где топливо было дешево и имелось в неограниченных количествах.
Самым первым автомобилем в натуральную величину стал тягач с паровым двигателем, созданный в 1769 году Николасом Жозефом Куньо в Парижском арсенале для перевозки орудий. Машина двигалась со скоростью 3,6 км/час. Второй тягач, более крупный, был построен в мае 1771 года. Он сохранился до наших дней и сейчас находится в Музее произведений искусства и предметов быта в Париже.
Американец Оливер Эванс в 1804 году изобрел автомобиль-амфибию.
Английский изобретатель Ричард Трейвисик в 1801 году представил на суд публике «Пыхтящего Дьявола» — первый компактный паровой автомобиль, предназначенный для перевозки людей, а два года спустя — более удачный «Лондонский паровой экипаж». Скорость передвижения достигала 15 км/час и 6 км/час на подъеме.
Раньше из города в город ездили в огромных каретах — дилижансах, запряженных лошадьми. В каждой карете — десятка по два пассажиров. И вот их сменили, наконец, паровые дилижансы. Первый паровой дилижанс механика Гордона имел одновременно и колеса и ноги! Гордон рассуждал так: у лошади — ноги, а у телеги — колеса; чтобы колеса покатились, нужно, чтобы сперва ноги пошли. Вот он и приделал к своей паровой тележке ноги. А они только путались между колесами и мешали.
___
А вот другой паровой дилижанс — механика Гернея стал возить публику из Лондона в пригородные деревушки. У дилижансов Гернея — нарядных, лакированных, похожих на карету, сзади торчали, как жерла пушек, целых три трубы. Колес было шесть: одна пара громадных, в рост человека, другая пара поменьше, а третья пара совсем маленькая. Маленькие колеса находились далеко впереди, будто лошади перед повозкой. Когда поворачивали руль вправо, передние колесики шли вправо, а за ними поворачивался и весь дилижанс. Паровой
котел был запрятан внутрь кузова. Дымя и гремя, двигался такой паровой дилижанс по дороге, а над его крышей торчал целый лес дымовых труб, высоких мужских шляп, султанов, перьев.
___
Изобретаемые средства передвижения были необходимы не только для перевозки людей, но и для технических нужд.
В 1822 году Давид Гордон взял патент на изобретенный им паровой трактор. Установленная в больших барабанах диаметром 2,7 м паровая машина через зубчатые колеса, связанные с внутренними венцами барабанов, приводила барабаны во вращение. Впереди была приспособлена двухколесная тележка для управления трактором.
По мысли изобретателя машина могла бы тянуть за собой груженые повозки. Проект Гордона явился первым проектом колесного парового трактора. Насколько известно, реализован он не был.
В 1825 году на участке дороги длиной 171 км от Лондона до Бата была организована первая пассажирская линия. При этом использовали кареты, имевшие паровой двигатель. Это стало началом эпохи скоростных дорожных экипажей, которые хотя и исчезли в Англии, но получили широкое распространение в Италии и во Франции.
.
Хилла (Англия ) 1830г. . Гарньи (Англия) 1825г.
По мере увеличения количество парового транспорта на дорогах английское правительство стало издавать очень строгие правила для паровых дилижансов.
Первое правило:
Впереди каждого парового дилижанса, на расстоянии пятидесяти пяти метров, должен идти человек с красным флагом. При встрече с каретами или всадниками он должен предупреждать путников о том, что за ним следует паровик.
Второе правило:
Машинистам строго воспрещается пугать лошадей свистками. Выпускать пар из машин разрешается только в случае отсутствия на дороге лошадей.
Третье правило:
Скорость движения паровика не должна превышать в деревне шести километров в час, а в городе — трех километров.
Вот какие правила: не свисти, не дыши, и ползи, как черепаха!
____
В 1832 году англичанин Джон Гиткот получил патент на первый гусеничный паровой трактор «для осушки и разработки болотистых земель, слишком вязких для возделывания при помощи лошадей и рогатого скота». Паровой трактор Гиткота имел гусеницы, звенья которых состояли из деревянных рам, обтянутых полотном. Гусеницы охватывали два больших колеса, при помощи которых осуществлялось их перематывание.
В 1871 году Бурелл (Англия) построил трактор с паровым двигателем для омнибуса. Эти машины строились в большом количестве; часть их поступала в Турцию и Россию. Машина весила 10,5 т и могла тянуть на крюке прицеп с грузом, весившим до 37 т. Скорость ее в городских условиях доходила до 8 км в час.
Вторую половину 19 века можно назвать эпохой автомобилей с паровым двигателем. Паровой автомобиль Бордино 1854год.
Однако у паровых двигателей коэффициент полезного действия равен всего 5%. Поэтому в начале 20 века паровые двигатели уступили свое место двигателям внутреннего сгорания, которые пришли на смену паровым и более экономно расходовали тепло, были более легкими и могли обеспечить высокую мощность при значительном уменьшении размеров. Автомобили с паровыми двигателями все быстрее и быстрее начинали исчезали с горизонта, хотя в США они использовались еще до 1930 года.
Другие страницы по теме « Паровые двигатели »