Як працює паровий двигун? Історія створення парової машини та її застосування
Паровою машиною називається тепловий двигун, в якому потенційна енергія пари, що розширюється, перетворюється в механічну енергію, що віддається споживачеві.
З принципом дії машини ознайомимося, скориставшись спрощеною схемою фіг. 1.
Всередині циліндра знаходиться 2 поршень 10, який може переміщатися вперед і назад під тиском пари; в циліндрі є чотири канали, які можуть відкриватися та закриватися. Два верхні паропідводні канали1 і3 з'єднані трубопроводом з паровим котлом, і через них у циліндр може надходити свіжа пара. Через два нижні капали 9 і 11 пар, що вже здійснив роботу, випускається з циліндра.
На схемі показаний момент, коли канали 1 та 9 відкриті, канали 3 та11 закриті. Тому свіжа пара з котла каналом1 надходить у ліву порожнину циліндра та своїм тиском переміщає поршень вправо; у цей час відпрацьована пара каналом 9 з правої порожнини циліндра видаляється. При крайньому правому положенні поршня.1 і9 закриті, а 3 для впуску свіжої пари і 11 для випуску пари відкриті, внаслідок чого поршень переміститься вліво. При крайньому лівому положенні поршня відкриваються канали1 9 і закриваються канали 3 і 11 і процес повторюється. Таким чином, створюється прямолінійний зворотно-поступальний рух поршня.
Для перетворення цього руху на обертальне застосовується так званий кривошипно-шатунний механізм. Він складається з поршневого штока- 4, з'єднаного одним кінцем з поршнем, а іншим шарнірно, за допомогою повзуна (крейцкопфа) 5, що ковзає між напрямними паралелями, з шатуном 6, який передає рух на корінний вал 7 через його коліно або кривошип 8.
Величина моменту, що крутить, на корінному валу не є постійною. Справді, силуР , спрямовану вздовж штока (фіг. 2), можна розкласти на дві складові:До , спрямовану вздовж шатуна, таN , перпендикулярну до площини напрямних паралелей. Сила N не впливає на рух, а тільки притискає повзун до напрямних паралелей. СилаДо передається вздовж шатуна і діє кривошип. Тут її можна розкласти на дві складові: силуZ , спрямовану по радіусу кривошипу і притискаючу вал до підшипників, і силуТ , перпендикулярну до кривошипу і викликає обертання валу. Розмір сили Т визначиться з розгляду трикутника AKZ. Оскільки кут ZAK = ? +?, то
Т = К sin (? + ?).
Але з трикутника ДКР сила
K= P/ cos ?
тому
T= Psin ( ? + ?) / cos ? ,
При роботі машини за один оборот валу кути? і? і силаР безперервно змінюються, а тому величина крутної (тангенціальної) силиТ також змінна. Щоб створити рівномірне обертання корінного валу протягом одного обороту, на нього насаджують важке колесо-маховик, за рахунок інерції якого підтримується постійна кутова швидкість обертання валу. У ті моменти, коли силаТ зростає, вона не може відразу ж збільшити швидкість обертання валу, поки не прискориться рух маховика, чого не відбувається миттєво, так як маховик має велику масу. У ті моменти, коли робота, що виконується крутною силоюТ , стає менше роботи сил опору, створюваних споживачем, маховик знову-таки через свою інерцію не може відразу зменшити свою швидкість і, віддаючи отриману при своєму розгоні енергію, допомагає поршню долати навантаження.
За крайніх положень поршня кути? +? = 0, тому sin (? + ?) = 0 і, отже, Т = 0. Так як зусилля, що обертає, в цих положеннях відсутня, то, якщо машина була б без маховика, сну повинна була б зупинитися. Ці крайні положення поршня називають мертвими положеннями або мертвими точками. Через них кривошип переходить також за рахунок інерції маховика.
При мертвих положеннях поршень не доводиться дотику до кришок циліндра, між поршнем і кришкою залишається так званий шкідливий простір. Обсяг шкідливого простору включається також обсяг парових каналів від органів паророзподілу до циліндра.
Ходом поршняS називається шлях, що проходить поршнем при переміщенні з одного крайнього положення в інше. Якщо відстань від центру корінного валу до центру пальця кривошипу – радіус кривошипу – позначити через R, то S = 2R.
Робочим об'ємом циліндра V h називається обсяг, що описується поршнем.
Зазвичай парові машини бувають подвійної (двосторонньої) дії (див. фіг. 1). Іноді застосовуються машини односторонньої дії, в яких пара чинить тиск на поршень тільки з боку кришки; інша сторона циліндра у таких машинах залишається відкритою.
Залежно від тиску, з яким пара залишає циліндр, машини поділяються на вихлопні, якщо пара виходить в атмосферу, конденсаційні, якщо пара виходить в конденсатор (холодильник, де підтримується знижений тиск), і теплофікаційні, у яких пар, що відпрацював в машині, використовується для будь-яких цілей (опалення, сушіння та ін.)
У поданні більшості людей століття смартфонів автомобілі на паровій тязі- Це щось архаїчне, що викликає усмішку. Парові сторінки історії автомобілебудування були дуже яскравими і без них важко уявити сучасний транспорт загалом. Як не намагалися скептики від законотворчості, а також нафтові лобісти різних країн обмежити розвиток автомобіля на пару, їм це вдавалося лише на якийсь час. Адже паровий автомобіль подібний до Сфінкса. Ідея автомобіля на пару (тобто на двигуні зовнішнього згоряння) актуальна і досі.
У виставі більшості людей століття смартфонів автомобілі на паровій тязі – це щось архаїчне, що викликає усмішку.
Так було в 1865 року у Англії запровадили заборону пересування швидкісних самохідних карет на паровому ходу. Їм заборонялося пересуватися швидше за 3 км/год містом і не випускати клуби пари, щоб не лякати коней, запряжених у звичайні екіпажі. Найсерйознішим і найвідчутнішим ударом по парових вантажних автомобілях вже в 1933 році завдав закон про податок на важкі транспортні засоби. І лише в 1934 році, коли було знижено мито на імпорт нафтопродуктів, замаячила на горизонті перемога бензинових і дизельних двигунівнад паровими.
Так вишукано і холоднокровно знущатися з прогресу могли собі дозволити тільки в Англії. У США, Франції, Італії середу винахідників-ентузіастів буквально вирувало ідеями, а паровий автомобіль набував нових обрисів і характеристик. Хоча англійські винаходили зробили вагомий внесок у розвиток парового автотранспорту, закони та упередження влади не дозволяли їм повноцінно брати участь у сутичці з ДВЗ. Але давайте про все по порядку.
Доісторична довідка
Історія розвитку парового автомобіля нерозривно пов'язана з історією виникнення та вдосконалення парової машини. Коли у I столітті н. е. Герон із Олександрії запропонував свою ідею змусити пару обертати металеву кулю, до її ідеї віднеслися не більше, ніж до гри. Чи інші ідеї більшою мірою хвилювали винахідників, але першим, хто поставив паровий котел на колеса був чернець Фердинанд Вербст. 1672 року. До його «іграшки» теж поставилися як до гри. Але наступні сорок років не пройшли даремно для історії парового двигуна.
Проект саморушного екіпажу Ісаака Ньютона (1680), пожежний апарат механіка Томаса Півночі (1698) та атмосферна установка Томаса Ньюкомена (1712) продемонстрували величезний потенціал використання пари для вчинення механічної роботи. Спочатку парові машини відкачували воду з шахт та піднімали вантажі, але до середини 18 століття на підприємствах Англії таких парових установок уже було кілька сотень.
Що ж собою є паровий двигун? Як може пара рухати колеса? Принцип парової машини є простим. Вода нагрівається у закритому резервуарі до стану пари. Пара відводиться по трубках у закритий циліндр і видавлює поршень. Через проміжний шатун цей поступальний рух передається на вал маховика.
Ця важлива схема роботи парового котла практично мала істотні недоліки.
Перша порція пари клубами виривалася назовні, а поршень, що остигнув, під власною вагою опускався вниз для наступного такту. Ця важлива схема роботи парового котла практично мала істотні недоліки. Відсутність системи регулювання тиску пари нерідко призводила до вибуху котла. Для доведення котла до робочого стану потрібно чимало часу та палива. Постійна дозаправка та гігантські розміри парової установки лише збільшували перелік її недоліків.
Нову машину в 1765 запропонував Джеймс Уатт. Він направив пару, що видавлюється поршнем, в додаткову камеру для конденсації і позбавив необхідності постійно підливати воду в котел. Нарешті, в 1784 році він вирішив завдання, як перерозподілити рух пари таким чином, щоб він штовхав поршень в обох напрямках. Завдяки створеному ним золотнику, парова машина могла працювати без перерв між тактами. Цей принцип теплового двигунаподвійної дії та ліг в основу більшості парової техніки.
Над створенням парових машин працювало багато розумних людей. Адже це простий і дешевий спосіб отримання енергії практично нічого.
Невеликий екскурс в історію автомобілів на паровій тязі
Однак, хоч як грандіозні були успіхи англійців в області, першим, хто поставив парову машину на колеса, був француз Ніколя Жозеф Кюньо.
Перший паровий автомобіль Кюньо
Його автомобіль з'явився на дорогах у 1765 році. Швидкість пересування коляски була рекордною – 9,5 км/год. У ньому винахідник передбачив чотири місця для пасажирів, яких можна було покатати з вітерцем на середній швидкості 3,5 км/год. Цього успіху винахіднику здалося замало.
Необхідність зупинки для заправки водою та розпалювання нового вогнища через кожен кілометр шляху не були суттєвим мінусом, а лише рівнем техніки на той час.
Він зважився на винахід тягача для гармат. Так на світ з'явився триколісний віз із масивним котлом попереду. Необхідність зупинки для заправки водою та розпалювання нового вогнища через кожен кілометр шляху не були суттєвим мінусом, а лише рівнем техніки на той час.
Наступна модель Кюньо зразка 1770 мала вагу близько півтори тонни. Новий віз міг транспортувати близько двох тонн вантажу зі швидкістю 7 км/год.
Маестро Кюньо більше займала ідея створення парового двигуна високого тиску. Його навіть не бентежив той факт, що казан міг вибухнути. Саме Кюньо придумав розташувати топку під котлом і возити «вогнище» із собою. Крім того, його «візок» може бути названий першою вантажівкою. Відставка покровителя та низка революцій не дали можливості майстру розвинути модель до повноцінної вантажної машини.
Самоучка Олівер Еванс та його амфібія
Ідея створення парових машин мала світові масштаби. У північноамериканських штатах винахідник Олівер Еванс створив близько п'ятдесяти парових установок на базі машини Уатта. Намагаючись зменшити габарити установки Джеймса Уатта, він конструював парові машини для борошномельних фабрик. Проте всесвітню славу Олівер Еванс придбав за свій паровий автомобіль-амфібію. У 1789 році його перший автомобіль у США успішно пройшов сухопутне та водне випробування.
На свою амфібію, яку можна назвати прообразом всюдиходів, Еванс встановив машину з тиском пари в десять атмосфер!
Дев'ятиметровий автомобіль-човен мав вагу близько 15 тонн. Парова машина приводила в рух задні колеса та гребний гвинт. До речі, Олівер Еванс теж був прихильником створення парового двигуна високого тиску. На свою амфібію, яку можна назвати прообразом всюдиходів, Еванс встановив машину з тиском пари в десять атмосфер!
Якби у винахідників 18-19 століть були під рукою технології 21 століття, ви уявляєте, скільки техніки вони б вигадали!? І якої техніки!
XX століття та 204 км/год на паровому автомобілі Стенлі
Так! 18 століття дав сильний поштовх до розвитку парового транспорту. Численні та різноманітні конструкції самохідних парових возів стали все частіше розбавляти гужовий транспорт на дорогах Європи та Америки. На початку XX століття автомобілі на паровій тязі суттєво поширилися і стали звичним символом свого часу. Як і фотографія.
18 століття дав потужний поштовх до розвитку парового транспорту
Саме свою фотографічну компанію продали брати Стенлі, коли в 1897 вирішили всерйоз зайнятися виробництвом парових авто в США. Вони створювали добре продаються паромобілі. Але цього їм було замало задоволення своїх амбітних планів. Адже вони були лише одні з багатьох таких же автовиробників. Так було доти, доки вони не сконструювали свою «ракету».
Саме свою фотографічну компанію продали брати Стенлі, коли в 1897 вирішили всерйоз зайнятися виробництвом парових авто в США.
Звісно, автомобілі Стенлі мали славу надійного автомобіля. Паровий агрегат розташовувався ззаду, а бойлер розігрівався за допомогою смолоскипів бензину або гасу. Маховик парового двоциліндрового двигуна подвійної дії обертання на задню вісь за допомогою ланцюгової передачі. Випадків вибухів казана у Стенлі Стімер не було. Але їм потрібний був фурор.
Звісно, автомобілі Стенлі мали славу надійного автомобіля.
Своєю «ракетою» вони спричинили фурор на весь світ. 205,4 км/год у 1906 році! Так швидко ще ніхто не їздив! Авто з ДВС побив цей рекорд лише через 5 років. Фанерна парова Ракета Стенлі визначила форму гоночних авто на багато років вперед. Але після 1917 року Стенлі Стімер все важче переживав конкуренцію дешевого Ford T і пішов у відставку.
Унікальні паромобілі братів Добл
Цьому знаменитому сімейству вдалося чинити опір бензиновим двигунам аж до початку 30-х років XX століття. Вони не збирали машини для рекордів. Брати справді любили свої паромобілі. Інакше чим ще пояснити винайдені ними стільниковий радіатор і кнопку запалення? Їхні моделі не були схожі на малі паровози.
Брати Абнер та Джон зробили революцію у паровому транспорті.
Брати Абнер та Джон зробили революцію у паровому транспорті. Щоб зрушити з місця, його машину не потрібно було розігрівати 10-20 хвилин. Кнопка запалення нагнітала гас із карбюратора в камеру згоряння. Він потрапляв туди після розпалу запалювальною свічкою. Вода нагрівалася за лічені секунди, а за хвилину-півтори пар створював необхідний тиск і можна було їхати.
Відпрацьована пара прямувала в радіатор для конденсації та підготовки до наступних циклів. Тому для плавного пробігу на 2000 км автомобілям Доблов потрібно всього дев'яносто літрів води в системі та кілька літрів гасу. Такої економічності не міг запропонувати ніхто! Можливо, саме на автосалоні в Детройті в 1917 Стенлі познайомилися з моделлю братів Добл і почали згортати своє виробництво.
Модель Е стала найрозкішнішим автомобілем другої половини 20-х і найостаннішою версією паромобіля Доблів. Шкіряний салон, поліровані елементи з дерева та кістки слона радували заможних власників усередині автомобіля. У такому салоні можна було насолоджуватися пробігом на швидкості до 160 км/год. Усього 25 секунд відокремлювали момент запалення від моменту старту. Ще 10 секунд потрібно, щоб автомобіль масою в 1,2 т розігнався до 120 км/год!
Всі ці швидкісні якості були закладені у чотирициліндровому моторі. Два поршні виштовхувалися парою під високим тиском у 140 атмосфер, а два інших відправляли остиглий пар низького тискув стільниковий конденсатор-радіатор. Але в першій половині 30-х років і ці красені братів Добл перестали випускатися.
Парові вантажні машини
Однак не варто забувати, що парова тяга бурхливо розвивалася і на вантажному транспорті. Це у містах парові автомобілі викликали алергію у снобів. Адже вантажі повинні доставлятися за будь-якої погоди і не тільки містом. А міжміські автобуси та військова техніка? Там легковими малолітражками не відбудешся.
Вантажний транспорт має одну значну перевагу перед легковим – це його розміри.
Вантажний транспорт має одну значну перевагу перед легковим – це його розміри. Саме вони дозволяють розмістити потужні силові установки у будь-якому місці автомобіля. Причому вона тільки збільшить вантажопідйомність та прохідність. А як виглядатиме вантажівка – на це не завжди звертали увагу.
Серед парових вантажних машин хочеться виділити англійський Сентінелл та радянський НАМІ. Звичайно, були й багато інших, наприклад Фоден, Фаулер, Йоркшир. Але саме Сентінелл і НАМІ виявилися найживучішими і випускалися до кінця 50-х років минулого століття. Вони могли працювати на будь-якому твердому паливі – вугіллі, дровах, торфі. «Всеїдність» цих вантажівок на пару ставило їх поза впливом цін на нафтопродукти, а також дозволяло використовувати їх у важкодоступних місцях.
Трудяга Сентінелл з англійським акцентом
Ці дві вантажівки відрізняються не лише країною виробника. Принципи розташування парогенераторів також були різні. Для Сентінел характерні верхнє і нижнє розташування парових машин щодо котла. При верхньому розташуванні парогенератор подавав гарячу пару безпосередньо в камеру двигуна, який був пов'язаний з мостами системою карданних валів. При нижньому розташуванні парового двигуна, тобто на шасі, котел розігрівав воду і подавав пару в двигун трубками, що гарантувало втрати температури.
Для Сентінел характерні верхнє і нижнє розташування парових машин щодо котла.
Наявність ланцюгової передачі від маховика парової машини на кардан було типовим для обох типах. Це дозволило конструкторам уніфікувати випуск Сентінел залежно від замовника. Для спекотних країн, таких як Індія, випускали парові вантажівки з нижнім, розділеним розташуванням котла та двигуна. Для країн із холодними зимами – з верхнім, суміщеним типом.
Для спекотних країн, таких як Індія, випускали парові вантажівки з нижнім, розділеним розташуванням котла та двигуна.
На цих вантажівках застосовували багато перевірених технологій. Золотники та клапани розподілу пари, двигуни простої та подвійної дії, з високим або низьким тиском, з або без КПП. Однак це не продовжили життя англійським паровим вантажівкам. Хоч вони і випускалися до кінця 50-х років XX століття і навіть перебували на військовій службі до і під час 2-ої світової війни, вони все ж таки були громіздкими і чимось нагадували паровози. Оскільки в їх кардинальної модернізації був зацікавлених осіб, їх доля була вирішена.
Хоч вони і випускалися до кінця 50-х років XX століття і навіть перебували на військовій службі до і під час 2-ої світової війни, вони все ж таки були громіздкими і чимось нагадували паровози.
Кому що, а нам – НАМІ
Щоб підняти зруйновану війною економіку радянського союзу, потрібно було знайти спосіб не витрачати ресурси нафти, хоча б у важкодоступних місцях – на півночі країни та Сибіру. Радянським інженерам була надана можливість вивчити конструкцію Сентінела з верхнім розташуванням чотирициліндрової парової машини прямої дії та розробити свою «відповідь Чемберлену».
У 30-х роках російські інститути та конструкторські бюро робили неодноразові спроби створення альтернативної вантажівки для лісової промисловості.
У 30-х роках російські інститути та конструкторські бюро робили неодноразові спроби створення альтернативної вантажівки для лісової промисловості. Але щоразу справа зупинялася на стадії випробувань. Використовуючи власний досвід та можливість вивчення трофейних паромобілів, інженерам вдалося переконати керівництво країни у необхідності такої вантажівки-паровики. Тим більше що бензин коштував у 24 рази дорожче за вугілля. А із вартістю дров у тайзі взагалі можна не згадувати.
Група конструкторів під керівництвом Ю. Шебаліна максимально спростила паровий агрегат в цілому. Вони поєднали чотирициліндровий двигун і котел в один агрегат і розташували його між кузовом та кабіною. Поставили цю установку на шасі серійного ЯАЗ-200. Робота пари та її конденсація були поєднані у замкненому циклі. Подача дров'яних чушок із бункера здійснювалася автоматично.
Так народився, вірніше на лісовому бездоріжжі, НАМИ-012. Очевидно, принцип бункерної подачі твердого палива та розташування парової машини вантажному автомобілібув запозичений із практики газогенераторних установок.
Доля господаря лісів – НАМІ-012
Характеристики парової вітчизняної бортової вантажівки та лісовозу НАМІ-012 були такі
- Вантажопідйомність – 6 тонн
- Швидкість – 45 км/год
- Дальність пробігу без дозаправки палива – 80 км. Якщо була можливість оновити запас води, то 150 км.
- Крутний момент на малих оборотах – 240 кгм, що перевищувало майже вп'ятеро показники базового ЯАЗ-200
- Котел з природною циркуляцією створював тиск 25 атмосфер і доводив пару до температури 420°С
- Поповнювати запаси води можна було безпосередньо з водойми через ежектори
- Ціліснометалева кабіна не мала капот і була висунута вперед
- Швидкість регулювалася об'ємом пари у двигуні за допомогою важеля подачі/відсічки. З його допомогою циліндри заповнювалися на 25/40/75%.
- Одна задня передачата три педаль управління.
Серйозними недоліками парової вантажівки були витрати 400 кг дров на 100 км шляху та необхідність у мороз позбавлятися води в котлі.
Серйозними недоліками парової вантажівки були витрати 400 кг дров на 100 км шляху та необхідність у мороз позбавлятися води в котлі. Але основним мінусом, який був у першого зразка, була погана прохідність у незавантаженому стані. Тоді виходило, що передня вісь була перевантажена кабіною та паровим агрегатом, порівняно із задньою. Із цим завданням впоралися, встановивши модернізовану паросильну установку на повнопривідний ЯАЗ-214. Тепер і потужність лісовозу НАМІ-018 було доведено до 125 кінських сил.
Але, не встигнувши поширитися країною, парогенераторні вантажівки були утилізовані у другій половині 50-х років минулого століття.
Але, не встигнувши поширитися країною, парогенераторні вантажівки були утилізовані у другій половині 50-х років минулого століття. Втім, разом із газогенераторними. Тому що вартість переробки автомобілів, економічний ефект та зручність експлуатації були трудомісткі та сумнівні, порівняно з бензиновими та дизельними вантажівками. Тим більше, що до цього часу в Радянському Союзі вже налагоджувався видобуток нафти.
Швидкісний та доступний сучасний паровий автомобіль
Не варто думати, що ідея автомобіля на паровій тязі забута назавжди. Зараз проявляється значне зростання інтересу до двигунів, альтернативних ДВЗ на бензині та дизпаливі. Світові запаси нафти не безмежні. Так, і вартість нафтопродуктів постійно зростає. Конструктори так намагалися вдосконалити ДВЗ, що їхні ідеї майже досягли свого ліміту.
Електромобілі, авто на водні, газогенераторні та паромобілі знову стали актуальними темами. Привіт, забуте 19 століття!
Зараз проявляється значне зростання інтересу до двигунів, альтернативних ДВЗ на бензині та дизпаливі.
Британський інженер (знову Англія!) продемонстрував нові можливості парового двигуна. Він створив свій Inspuration не лише для демонстрації актуальності автомобілів парової тяги. Його дітище створено для рекордів. 274 км/год – така швидкість, яку розганяють дванадцять котлів, встановлених на 7,6-метровий боліді. Усього 40 літрів води достатньо, щоб скраплений газ буквально за мить довів температуру пари до 400°С. Подумати тільки, історії знадобилося 103 роки, щоби побити рекорд швидкості автомобіля на паровій тязі, встановлений «Ракетою»!
У сучасному парогенераторі можна використовувати вугілля у вигляді порошку або інше дешеве паливо, наприклад мазут, зріджений газ. Саме тому парові автомобілі завжди були і будуть популярними.
Але щоб настало екологічно чисте майбутнє, знову необхідно долати опір нафтових лобістів.
Про історію розвитку парового двигуна досить докладно описано в цій статті. Тут же - найвідоміші рішення та винаходи часів 1672-1891 року.
Перші напрацювання.
Почнемо з того, що ще в сімнадцятому столітті пар стали розглядати як засіб для приводу, проводили з ним усілякі досліди, і лише в 1643 Еванджеліста Торричеллі було відкрито силову дію тиску пари. Крістіан Гюйгенс через 47 років спроектував першу силову машину, що наводилася на дію вибухом пороху в циліндрі. Це був перший прототип двигуна внутрішнього згоряння. На аналогічному принципі влаштовано водозабірну машину абата Отфея. Незабаром Дені Папен вирішив замінити силу вибуху на менш потужну силу пари. У 1690 році їм було збудовано перша парова машина, відома також як паровий казан.
Вона складалася з поршня, який за допомогою окропу переміщався в циліндрі вгору і за рахунок подальшого охолодження знову опускався - так створювалося зусилля. Весь процес відбувався таким чином: під циліндром, який виконував одночасно функцію кип'ятільного котла, розміщували піч; при знаходженні поршня у верхньому положенні піч відсувалася для полегшення охолодження.
Пізніше два англійці, Томас Ньюкомен і Коулі – один коваль, інший скляр, – удосконалили систему шляхом поділу кип'ятільного котла та циліндра та додавання бака з холодною водою. Ця система функціонувала за допомогою клапанів або кранів – одного для пари та одного для води, які по черзі відкривалися та закривалися. Потім англієць Бейтон перебудував клапанне управління на справді тактове.
Застосування парових машин практично.
Машина Ньюкомена незабаром стала відома всюди і, зокрема, була вдосконалена, розроблена Джеймсом Уаттом у 1765 році системою подвійної дії. Тепер парова машинавиявилася досить завершеною для використання у транспортних засобах, хоча через свої розміри краще підходила для стаціонарних установок. Уатт запропонував свої винаходи у промисловості; він також побудував машини для текстильних фабрик.
Перша парова машина, що використовується як засіб пересування, була винайдена французом Ніколя Жозефом Куньо, інженером і військовим стратегом-аматором. У 1763 або 1765 він створив автомобіль, який міг перевозити чотирьох пасажирів при середній швидкості 3,5 і максимальної - 9,5 км / год. За першою спробою була друга – з'явився автомобіль для транспортування знарядь. Випробовувався він, природно, військовими, але через неможливість тривалої експлуатації (безперервний цикл роботи нової машини не перевищував 15 хвилин) винахідник не отримав підтримки влади та фінансистів. Тим часом у Англії вдосконалювалася парова машина. Після кількох безуспішних, що базувалися на машині Уатта спроб Мура, Вільяма Мердока і Вільяма Саймінгтона, з'явився рейковий транспортний засіб Річарда Тревісіка, створений на замовлення Уельської вугільної шахти. У світ прийшов активний винахідник: з підземних шахт він піднявся на землю і в 1802 представив людству потужний легковий автомобіль, що досягав швидкості 15 км/год на рівній місцевості та 6 км/год на підйомі.
Прев'ю - збільшення на кліку.
Наведені в рух парою транспортні засоби все частіше використовувалися і в США: Натан Рід в 1790 здивував жителів Філадельфії своєї моделлю парового автомобіля. Проте ще більше уславився його співвітчизник Олівер Еванс, який через чотирнадцять років винайшов автомобіль-амфібію. Після наполеонівських воєн, під час яких «автомобільні експерименти» не проводилися, знову розпочалася робота над винаходом та удосконаленням парової машини. У 1821 році її можна було вважати досконалою та досить надійною. З тих пір кожен крок уперед у сфері транспортних засобів, що приводилися в рух, безумовно сприяв розвитку майбутніх автомобілів.
В 1825 сер Голдсуорт Гарні на ділянці довжиною 171 км від Лондона до Бата організував першу пасажирську лінію. При цьому він використав запатентовану ним карету, що мала паровий двигун. Це стало початком епохи швидкісних дорожніх екіпажів, які, однак, зникли в Англії, але набули широкого поширення в Італії та у Франції. Подібні транспортні засоби досягли найвищого розвитку з появою в 1873 «Реверансу» Амеде Балле вагою 4500 кг і «Манселя» - компактнішого, що важив трохи більше 2500 кг і досягав швидкості 35 км / год. Обидва були провісниками тієї техніки виконання, яка стала характерною для перших "справжніх" автомобілів. Незважаючи на велику швидкість ккд парової машинибув дуже маленький. Болле був тим, хто запатентував першу добре діючу систему кермового управління, він так вдало розташував керуючі та контрольні елементи, що ми і сьогодні це бачимо на щитку приладів.
Прев'ю - збільшення на кліку.
Незважаючи на грандіозний прогрес у галузі створення двигуна внутрішнього згоряння, сила пари все ще забезпечувала рівномірніший і плавніший хід машини і, отже, мала багато прихильників. Як і Болле, який побудував та інші легкі автомобілі, наприклад Rapide у 1881 році зі швидкістю руху 60 км/год, Nouvelle у 1873 році, яка мала передню вісь з незалежною підвіскоюколіс, Леон Шевроле в період між 1887 і 1907 роками запустив кілька автомобілів з легким та компактним парогенератором, запатентованим ним у 1889 році. Компанія De Dion-Bouton, заснована в Парижі в 1883, перші десять років свого існування виробляла автомобілі з паровим двигунами і досягла при цьому значного успіху - її автомобілі виграли гонки Париж-Руан в 1894 році.
Прев'ю - збільшення на кліку.
Успіхи компанії Panhard et Levassor у використанні бензину привели, однак, до того, що De Dion перейшов на двигуни внутрішнього згоряння. Коли брати Болле стали управляти компанією свого батька, вони зробили те саме. Потім компанія Chevrolet перебудувала своє виробництво. Автомобілі з паровими двигунами дедалі швидше зникали з горизонту, хоча США вони використовувалися ще до 1930 року. На цьому самому моменті і припинилося виробництво та винахід парових машин
Парова машина за всю свою історію мала багато варіацій втілення у метал. Одним з таких втілень був паровий роторний двигун інженера-механіка Н.Н. Тверського. Цей паровий роторний двигун (парова машина) активно експлуатувався у різних галузях техніки та транспорт. У російській технічній традиції 19-го століття такий роторний двигун називався коловратна машина. Двигун відрізнявся довговічністю, ефективністю та високим крутним моментом. Але з появою парових турбін було забуто. Нижче наведені архівні матеріали, підняті автором цього сайту. Матеріали дуже великі, тому поки що тут представлена лише частина їх.
Пробне прокручування стисненим повітрям (3,5 атм) парового роторного двигуна.
Модель розрахована на 10 кВт потужності при 1500 об/хв на тиск пари в 28-30 атм.
Наприкінці 19-го століття парові двигуни — «коловоротні машини М.Тверського» були забуті тому, що поршневі парові машини виявилися простішими та технологічнішими у виробництві (для виробництв того часу), а парові турбіни давали велику потужність.
Але зауваження щодо парових турбін є справедливим лише в їх великих масо-габаритних розмірах. Дійсно - при потужності понад 1,5-2 тис. кВт парові багатоциліндрові турбіни виграють за всіма параметрами у парових роторних двигунів, навіть при дорожнечі турбін. І на початку 20-го століття, коли суднові силові установки та силові агрегатиелектростанцій починали мати потужність у багато десятків тисяч кіловат, то тільки турбіни і могли забезпечити такі можливості.
АЛЕ - у парових турбін є інший недолік. При масштабуванні їх масо-габаритних парамерів у бік зменшення ТТХ парових турбін різко погіршуються. Значно знижується питома потужність, падає ККД, при тому що дорожнеча виготовлення та високі обороти головного валу (потреба в редукторі) залишаються. Саме тому в області потужностей менше 1,5 тис. кВт (1,5 мВт) ефективну за всіма параметрами парову турбіну знайти практично неможливо, навіть за великі гроші.
Саме тому в цьому діапазоні потужностей з'явився цілий «букет» екзотичних та мало відомих конструкцій. Але найчастіше - так само дорогих і малоефективних ... Гвинтові турбіни, турбіни Тесла, осьові турбіни та ін.
Але чомусь усі забули про парові «коловоротні машини» — роторні парові двигуни. А тим часом — ці парові машини набагато дешевше, ніж будь-які лопаткові і гвинтові механізми (це я говорю зі знанням справи-як людина, яка виготовила на свої гроші вже більше десятка таких машин). При цьому парові «коловоротні машини Н.Тверського» - мають потужний крутний момент з найменших оборотів, мають середню частоту обертання головного валу на повних оборотах від 1000 до 3000 об/хв. Тобто. такі машини хоч для електрогенератора, хоч для парового авто (автомобіля-вантажівки, трактора, тягача) — не вимагатимуть редуктора, зчеплення та ін., а своїм валом на пряму з'єднуються з динамо-машиною, колесами парового автомобіля та ін.
Отже - у вигляді парового роторного двигуна - системи «коловоротної машини Н. Тверського» ми маємо універсальну парову машину, яка чудово буде виробляти електрику живлячись від котла на твердому паливі у віддаленому лісгоспі або тайговому селищі, на польовому стані або виробляти електрику в котельні. або «крутитися» на відходах технологічного тепла (гарячому повітрі) на цегельному або цементному заводі, на ливарному виробництві та ін.
Всі подібні джерела тепла якраз і мають потужність не більше 1 мВт, тому і прийняті турбіни тут малопридатні. А інших машин для утилізації тепла шляхом переведення в роботу тиску отриманого пара- загальна технічна практика поки що не знає. Ось і не утилізується це тепло ніяк - воно просто губиться безглуздо і безповоротно.
Я вже створив «парову коловратну машину» для приводу електрогенератора в 3.5 — 5 кВт (залежить від тиску в парі), якщо все буде як планую- скоро буде машина і в 25 і в 40 кВт. Саме те, що треба, щоб забезпечувати дешевою електрикою від котла на твердому паливі або на відходах технологічного тепла сільську садибу, невелике фермерське господарство, польовий стан та ін.
В принципі, роторні двигуни добре масштабуються у бік збільшення, тому насаджуючи на один вал безліч роторних секцій легко багаторазово збільшувати потужність таких машин, просто збільшуючи кількість стандартних роторних модулів. Тобто цілком можна створювати парові роторні машини потужністю 80-160-240-320 і кВт.
Але, крім середніх та відносно великих паросилових установок, паросилові схеми з малими паровими роторними двигунами будуть потрібні й у малих силових установках.
Наприклад-одно з моїх винаходів-«Похідно-туристичний електрогенератор на місцевому твердому паливі».
Нижче представлено відео, де випробовується спрощений прототип такого пристрою.
Але маленький паровий двигун вже весело та енергійно крутить свій електрогенератор і на дровах та іншому підніжному паливі видає електроенергію.
Основний напрямок комерційного та технічного застосування парових роторних двигунів (коловратних парових машин) - це вироблення дешевої електрики на дешевому твердому паливі та горючих відходах. Тобто. Мінімальна енергетика- розподілена електрогенерація на парових роторних двигунах. Уявіть, як добре вписуватиметься роторний паровий двигун у схему роботи лісопилки- пилорами, де-небудь на Російській Півночі або в Сибіру (Далекому Сході) де немає центрального електропостачання, електрика дає дорого дизель-генератор на привізній здалеку солярці. Зате сама лісопилка виробляє в день мінімум півтонни тріски-тирси — горбиля, який подіти нікуди...
Таким деревним відходам - пряма дорога в топку котла, казан дає пару високого тиску, пара приводить в дію роторний паровий двигун і той крутить електрогенератор.
Так само можна спалювати безмежні за обсягами мільйони тонн пожнивних відходів сільського господарства та ін. А є ще дешевий торф, дешеве енергетичне вугілля та інше. Автор сайту вважав, що витрати на паливо при виробленні електрики через малу паросилову установку (парову машину) з паровим роторним двигуном потужністю 500 кВт будуть від 0,8 до 1,
2 рублі за кіловат.
Ще цікавий варіант застосування парового роторного двигуна – це встановлення такої парової машини на паровий автомобіль. Вантажівка - тягач паровий автомобіль, з потужним моментом, що крутить, і застосовує дешеве тверде паливо - дуже потрібна парова машина в сільському господарстві і в лісовій галузі. При застосуванні сучасних технологій і матеріалів, а також використання в термодинамічному циклі «Органічного циклу Ренкіна» дозволять довести ефективний ККД до 26-28% на дешевому твердому паливі (або недорогому рідкому, типу «пічного палива» або відпрацьованого машинного масла). Тобто. вантажівка - тягач з паровою машиною
і потужністю роторного парового двигуна близько 100 кВт, буде витрачати на 100 км близько 25-28 кг енергетичного вугілля (вартість 5-6 руб за кг) або близько 40-45 кг тріски-тирси (ціна яких на Півночі-забирай задарма).
Є ще багато цікавих та перспективних сфер застосування роторного парового двигуна, але розміри цієї сторінки не дозволяють всі їх докладно розглянути. У результаті- парова машина може зайняти ще дуже помітне місце у багатьох галузях сучасної техніки та у багатьох галузях народного господарства.
ЗАПУСКИ ДОСВІДНОЇ МОДЕЛІ ПАРОСИЛОВОГО ЕЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА З ПАРОВИМ ДВИГУНОМ
Травень -2018р. Після тривалих експериментів та досвідчених зразків зроблено малий котел високого тиску. Котел опресований на 80 атм тиску, так що триматиме робочий тиск в 40-60 атм без труднощів. Запущений у роботу з досвідченою моделлю парового аксіально-поршневого двигуна моєї конструкції. Працює чудово - дивись відео. За 12-14 хвилин від розпалу на дровах готова давати пар високого тиску.
Зараз я починаю готуватися до штучного виробництва таких установок - казан високого тиску, паровий двигун (роторний або аксіально-поршневий), конденсатор. Установки будуть працювати за замкнутою схемою з оборотом «вода-пар-конденсат».
Попит на такі генератори дуже великий, бо 60% теорії Росії не мають центрального електропостачання і сидять на дизельгенерації. А ціна солярки постійно зростає і вже досягла 41-42 руб за літр. Та й там, де електрика є, енергокомпанії тарифи все піднімають, а за підключення нових потужностей вимагають великих грошей.
ПромисловістьАнглії потребувала великої кількості палива, а лісу ставало дедалі менше. У зв'язку з цим видобуток кам'яного вугілля став надзвичайно актуальним.
Основною проблемою видобутку була вода, вона затоплювала шахти швидше, ніж її встигали відкачувати, доводилося кидати розроблені копальні та шукати нові.
З цих причин терміново були потрібні механізми для відкачування води, ось ними то й стали перші парові машини.
Наступним етапом розвитку парових машин було створення (у 1690 року) поршневого парового двигуна, який виконував корисну роботу за рахунок нагрівання та конденсації пари.
Народився у французькому місті Блуа у 1647 році. В Університеті Анже він вивчав медицину та отримав ступінь доктора, але лікарем не став. Багато в чому його долю визначила зустріч із голландським фізиком Х. Гюйгенсом, під впливом якого Папен почав вивчати фізику та механіку. В 1688 він опублікував опис (зі своїми конструктивними доповненнями) представленого Гюйгенсом в Паризьку академію наук проекту порохового двигуна у формі циліндра з поршнем.
Папен також запропонував конструкцію відцентрового насоса, сконструював піч для плавки скла, паровий візок та підводний човен, винайшов скороварку та кілька машин для підйому води.
Перша у світі скороварка:
У 1685 році Папен був змушений тікати з Франції (через гоніння на гугенотів) до Німеччини і продовжував там працювати над своєю машиною.
У 1704 році, на заводі «Veckerhagen», він відлив перший у світі циліндр для парової машини і того ж року побудував катер на паровій тязі.
Перша «машина» Дені Папена (1690 рік)
Вода в циліндрі при нагріванні перетворювалася на пару і рухала поршень вгору, а при охолодженні (пар конденсувався) створювалося розрідження і атмосфернетиск рухав поршень вниз.
Щоб змусити машину працювати, необхідно було маніпулювати стрижнем-клапаном та стопором, переміщувати джерело полум'я та охолоджувати циліндр водою.
У 1705 році Папен розробив другий паровий двигун
При відкритті крана (D), пара з котла (праворуч) прямувала в середню ємність і за допомогою поршня продавлювала воду в ємність зліва. Після чого кран (D) закривався, відкривався крани (G) і (L) у воронку доливали воду і середня ємність заповнювалася новою порцією, крани (G) та (L) закривали та повторювали цикл. Тим самим удавалося підняти воду на висоту.
У 1707 році Папен приїхав до Лондона з метою отримати патент на свої роботи 1690-го року. Роботи не були визнані, тому що на той час вже з'явилися машини Томаса Півночі та Томаса Ньюкомена (див. нижче).
У 1712 році Дені Папен помер знедоленим і похований у безіменній могилі.
Перші парові машини являли собою громіздкі стаціонарні насоси для перекачування води. Це пояснювалося тим, що треба було відкачувати воду з копалень та вугільних шахт. Чим глибші були шахти, тим важче було відкачувати з них воду, в результаті не вироблені шахти доводилося кидати і переходити на нове місце.
У 1699 році, англійський інженер , отримав патент на винахід «вогневого двигуна», призначеного для відкачування води з копалень.
Машина Півночі – це паровий насос, а не двигун, у ньому не було циліндра з поршнем.
Головною родзинкою в машині Півночі було те, що пара утворювалася в окремому котлі.
Довідка
Машина Томаса Півночі
При відкритті крана 5 пар з котла 2 подавався в посудину 1, виганяючи звідти воду трубкою 6. Клапан 10 при цьому відкритий, а клапан 11 закритий. Наприкінці нагнітання кран 5 закривався, і через кран 9 в посудину 1 подавалася холодна вода. Пара в посудині 1 охолоджувався, конденсувався, і тиск падало, засмоктуючи туди воду трубкою 12. Клапан 11 при цьому відкривався, а клапан 10 закривався.
Насос Півночі був малопотужний, споживав багато палива і працював уривчасто. В силу цих причин, машина Півночі не набула широкого поширення і їй на зміну прийшли «поршневі парові машини».
У 1705 роціпоєднавши ідеї Півночі (котел, що окремо стоїть) і Папена (циліндр з поршнем) побудував поршневий паровий насосдля роботи на копальнях.
Досліди щодо вдосконалення машини тривали близько десяти років, доки вона не почала справно працювати.
Про Томаса Ньюкомена
Народився 28 лютого 1663 року в Дартмуті. Коваль за фахом. У 1705 році спільно з лудильником Дж. Коулі побудував паровий насос. Ця досить ефективна для свого часу пароатмосферна машина використовувалася для відкачування води в шахтах і набула широкого поширення у XVIII столітті. Таку технологію в наш час використовують бетононасоси на будовах.
Ньюкомен не зміг отримати патент, оскільки паровий водопідйомник був запатентований ще 1699 року Т. Севери. Парова машина Ньюкомена була універсальним двигуном і могла працювати лише як насос. Спроби Ньюкомена використовувати зворотно-поступальний рух поршня для обертання веслування на судах виявилися невдалими.
Помер 7 серпня 1729 року у Лондоні. Ім'я Ньюкомена носить "Суспільство істориків техніки Великобританії".
Машина Томаса Ньюкомена
Спочатку пар піднімав поршень, потім у циліндр впорскувалося трохи холодної води, пар кондесувався (утворюючи цим розрядження в циліндрі) і поршень під впливом атмосферного тиску опускався.
На відміну від "циліндра Папена" (у якого циліндр служив котлом), в машині Ньюкомена циліндр був відокремлений від котла. Таким чином вдалося досягти більш-менш рівномірної роботи.
У перших версіях машини, управління клапанами було ручним, але згодом Ньюкомен придумав механізм, що автоматично відкриває і закриває в потрібний момент відповідні крани.
Фото
Про циліндри
Перші циліндри ньюкоменівської машини робилися з міді, труби – зі свинцю, а коромисло було дерев'яним. Дрібні частини робилися із ковкого заліза. Пізніші машини Ньюкомена, приблизно після 1718 року, мали вже чавунний циліндр.
Виготовляли циліндри на ливарному заводі Абрахама Дербі у Колбрукделі. Дербі удосконалив техніку лиття і це дозволило отримувати циліндри достатньо хорошої якості. Для отримання більш менш правильної і гладкої поверхні стінок циліндра, використовувався верстат для висвердлювання дула знарядь.
Якось так:
З деякими доробками машини Ньюкомена протягом 50 років залишалися єдиними механізмами, придатними для промислового використання.
У 1720 роціописав двоциліндрову парову машину. Винахід був опублікований у його головній роботі "Theatri Machinarum Hydraulicarum". Цей рукопис був першим систематичним аналізом машинобудування.
Машина запропонована Якобом Леопольдом
Передбачалося, що поршні зроблені зі свинцю, підніматимуться тиском пари, а опускатимуться під власною вагою. Цікава ідея крана (між циліндрами), за його допомогою пара впускалася в один циліндр і одночасно випускалася з іншого.
Якоб не будував цієї машини, він тільки її придумав.
У 1766 роціРосійський винахідник, працюючи механіком на алтайських гірничорудних та металургійних заводах, створив першу в Росії і першу у світі двоциліндрову парову машину.
Повзунов модернізував машину Ньюкомена (для забезпечення безперервної роботи він задіяв два циліндри, замість одного) і запропонував використовувати її для привиду в рух хутра плавильних печей.
Сумна довідка
У Росії на той час, парові машини мало використовувалися і всю інформацію Ползунов отримав із книжки “Грунтовне повчання рудному справі” (1760) за авторством Шлаттера І.А., у якій описувалася парова машина Ньюкомена.
Про проект було повідомлено імператриці Катерині Другої. Вона схвалила його, розпорядилася зробити І.І.Ползунова в "механікуси з чином і званням інженерного капітан-поручика" і нагородити 400 рублями.
Повзунов пропонував побудувати спочатку невелику машину, де можна було б виявити і усунути всі недоліки, неминучі у новому винаході. Заводське начальство з цим не погодилося і вирішило будувати одразу величезну машину. У квітні 1764 р. Повзунов розпочав будівництво.
Навесні 1766 року будівництво в основному було закінчено і проведено випробування.
Але 27 травня Повзунов помер від сухот.
Його учні Левзін та Черніцин одні приступили до останніх випробувань парової машини. У «Денній записці» від 4 липня було відзначено «справну машинну дію», а 7 серпня 1766 вся установка, парова машина і потужна повітродувка, була здана в експлуатацію. Всього за три місяці роботи машина Ползунова не тільки виправдала всі витрати на її будівництво в сумі 7233 рублів 55 копійок, але й дала чистий прибуток 12640 рублів 28 копійок. Проте, 10 листопада 1766 р. після того, як у машини перегорів казан, вона простояла без дії 15 років 5 місяців та 10 днів. У 1782 р. машину розібрали.
(Енциклопедія Алтайського краю. Барнаул. 1996. Т. 2. С. 281-282; Барнаул. Літопис міста. Барнаул. 1994. ч. 1.с.30).
Машина Повзунова
Принцип роботи аналогічний машині Ньюкомена.
В один з циліндрів наповнених парою, впорскували воду, пара конденсувалася і в циліндрі створювалося розрядження, під дією атмосферного тиску поршень опускався вниз, в той же момент в інший циліндр надходила пара і він піднімався.
Подача води та пари в циліндри було повністю автоматизовано.
Макет парової машини І.І. Ползунова, зроблений за оригінальними кресленнями у 1820-ті роки.
Краєзнавчий музей Барнаула.
У 1765 році Джеімсу Уаттупрацював механіком в університеті Глазго, було доручено відремонтувати модель машини Ньюкомена. Невідомо, хто її зробив, але в університеті вона вже кілька років.
Професор Джон Андерсон запропонував Уатту подивитися, чи не можна щось зробити з цим цікавим, але примхливим приладом.
Уатт не лише відремонтував, а й удосконалив машину. Він додав до неї окрему ємність для охолодження пари та назвав її конденсатор.
Модель парової машини Ньюкомена
Макет був оснащений циліндром (діаметр 5 см) з робочим ходом 15 см. Уатт провів ряд експериментів, зокрема замінив металевий циліндр на дерев'яний, змащений лляною олією та висушений у печі, зменшив кількість води, що піднімається за один цикл, і макет запрацював.
У процесі експериментів Уатт переконався у неефективності машини.
При кожному новому циклі частина енергії пари йшла на нагрівання циліндра, який охолоджувався після впорскування води для охолодження пари.
Провівши ряд дослідів Уатт дійшов висновку:
«…Для того щоб зробити досконалу парову машину, необхідно, щоб циліндр був завжди гарячий, як і пара, що входить до нього; але з іншого боку, конденсація пари для утворення вакууму мала відбуватися за температури не вище 30 градусів Реомюра» (38 за Цельсієм)…
Модель машини Ньюкомена, з якою експериментував Уатт
Як все починалося...
Вперше Уатт зацікавився парою в 1759 році, цьому посприяв його приятель Робісон, який носився тоді з думкою «про застосування сили парової машини для руху возів».
Того ж року Робісон поїхав воювати до Північної Америки, а Уатт і без цього був завалений справами.
Через два роки Уатт повернувся до ідеї парових машин.
«Близько 1761–1762 рр., - пише Уатт, - я зробив кілька дослідів над силою пари в Папеновом котлі і зробив щось на кшталт парової машини, зміцнивши на ньому спринцівку, діаметром близько 1/8 дюйма, з міцним поршнем, з краном для впуску пара з котла, а також для випуску його зі спринцівки в повітря». Коли відкривався кран із котла в циліндр, то пара, надходячи в циліндр і діючи на поршень, піднімала значний вантаж (15 фунтів), яким був навантажений поршень. Коли вантаж був піднятий до потрібної висоти, повідомлення з котлом закривалося і відкривався кран для випуску пари в атмосферу. Пара виходила, і вантаж опускався. Ця операція повторювалася кілька разів, і хоча в даному приладі кран повертався від руки, проте, не важко було придумати пристрій, щоб повертати його автоматично.
А – циліндр; В – поршень; С - шток із гаком для підвішування вантажу; D – зовнішній циліндр (кожух); Е та G - паровпускні отвори; F - трубка, що з'єднує циліндр із конденсатором; К – конденсатор; Р – насос; R – резервуар; V - клапан для виходу повітря, що витісняється парою; К, Р, R – заповнені водою. Пар впускається через G в простір між А і D і через Е в циліндр А. При невеликому підйомі поршня в циліндрі насоса Р (поршень не зображений на малюнку) рівень води К знижується і пара з А переходить в К і тут осаджується. В А виходить розрідження, і пара, що знаходиться між А і D, тисне на поршень і піднімає його разом з підвішеним до нього вантажем.
Основна ідея, що відрізняє машину Уатта від машини Ньюкомена, полягала в ізольованій камері для конденсації (охолодження пари).
Наочне зображення:
У машині Уатта конденсатор "С" був відокремлений від робочого циліндра "Р" його не потрібно було постійно нагрівати та охолоджувати, завдяки цьому вдалося трохи збільшити ККД.
У 1769-1770 роках на шахті гірничозаводника Джона Робака (Робак цікавився паровими машинамиі деякий час фінансував Уатта), була побудована велика модель машини Уатта, на яку він отримав у 1769 свій перший патент.
Суть патенту
Уатт визначив свій винахід як "новий метод зменшення витрати пари, а отже, і палива в вогняних машинах".
У патенті (№ 013) викладалася низка нових технічних. положень, використаних Уаттом у своєму двигуні:
1) Підтримка температури стінок циліндра рівної, температурі пари, що надходить до нього, за рахунок теплової ізоляції, парової сорочки
та відсутності контакту з холодними тілами.
2) Конденсація пари в окремій посудині - конденсаторі, температура в к-ром повинна була підтримуватися на рівні навколишнього середовища.
3) Видалення з конденсатора повітря та інших тіл, що не конденсуються, за допомогою насосів.
4) Застосування надлишкового тиску пари; у випадках нестачі води для конденсації пари застосування лише надлишкового тиску з вихлопом в атмосферу.
5) Застосування «коловоротних» машин з однонаправлено обертовим поршнем.
6) Робота з неповною конденсацією (тобто із погіршеним вакуумом). У цьому пункті патенту описані конструкції ущільнення поршня і окремих деталей. При тисках пари, що застосовувалися в той час, в 1 атм введення окремого конденсатора і відкачування повітря з нього означали реальну можливість зниження витрати пари і палива більш ніж удвічі.
Через деякий час Робак збанкрутував і новим компаньйоном Уатта став англійський промисловець Меттью Болтон.
Після ліквідації угоди Уатта з Робаком, побудована машина була розібрана і відправлена на завод Болтона в Сохо. На ній Уатт протягом тривалого часу перевіряв майже всі свої вдосконалення та винаходи.
Про Меттью Болтон
Якщо Робак бачив в машині Уатта перш за все лише вдосконалений насос, який повинен був врятувати його шахти від затоплення, то Болтон у винаходах Уатта бачив новий вид двигуна, який повинен був замінити водяне колесо.
Болтон сам намагався внести удосконалення в машину Ньюкомена, щоб зменшити витрати пального. Він зробив модель, яка викликала захоплення у численних лондонських великосвітських друзів та покровителів. Болтон вів листування з американським ученим і дипломатом Бенджаміном Франкліном про те, як краще впорскувати в циліндр охолодну воду, про найкращу систему клапанів. Франклін у цій галузі нічого розумного порадити не міг, але звернув увагу на інший спосіб досягнення економії палива, на краще його спалювання та знищення диму.
Болтон мріяв не про що інше, як про світову монополію виробництва нових машин. "Моєю думкою було, - писав Болтон Уатту, - влаштувати поряд з моїм заводом, підприємство, де я зосередив би всі технічні засоби, необхідні для будівництва машин, і звідки ми постачали б весь світ машинами будь-яких розмірів".
Болтон ясно усвідомлював, які для цього потрібні передумови. Нова машина не може будуватись старими кустарними способами. «Я припускав, - писав він Уатту, - що ваша машина вимагатиме грошей, дуже точної роботи та великих зв'язків, щоб найвигідніше пустити її в оборот. Найкращий спосіб підтримати її репутацію і віддати належне винаходу - це вилучити її виробництво з рук безлічі техніків, які за своїм невіглаством, браком досвіду та технічних засобів, стали б давати погану роботу, а це позначилося б і на репутації винаходу».
Щоб уникнути цього, він пропонував будувати спеціальний завод, де «за вашого сприяння ми могли б залучити і навчити відому кількість чудових робітників, які, забезпечені найкращим інструментом, могли б виконати цей винахід на двадцять відсотків дешевше і з такою ж великою різницею в точності роботи , яка існує між роботою коваля та майстра математичних інструментів».
Кадри висококваліфікованих робітників, нове технічне обладнання – ось що потрібно для будівництва машини в масовому масштабі. Болтон вже мислив категоріями та поняттями розвиненого капіталізму ХІХ століття. Але поки що це були ще мрії. Не Болтоном і Уаттом, які синами було організовано років тридцять по тому масове виробництво машин - перший машинобудівний завод.
Болтон та Уатт обговорюють виробництво парових машин на заводі в Сохо
Черговим етапом розвитку парових машин була герметизація верхньої частини циліндра і подача пари не тільки в нижню, а й у верхню частину циліндра.
Так Уаттом та Болтоном, була побудована парова машина подвійної дії.
Тепер пара подавалася поперемінно в обидві порожнини циліндра. Стіни циліндра були теплоізольовані від зовнішнього середовища.
Машина Уатта хоч і стала ефективнішою за машину Ньюкомена, але ККД, все ще був надзвичайно низький (1-2%).
Як Уатт і Болтон будували та PRили свої машини
Про технологічність і культуру виробництва у 18 столітті не могло бути й мови. Листи Уатта до Болтона наповнені скаргами на пияцтво, злодійство та лінощі робітників. «Ми можемо дуже мало розраховувати на наших робітників у Сохо, – писав Болтону. - Джемс Тейлор почав сильніше пити. Він упертий, норовливий і незадоволений. Машина, над якою працював Картрайт, - суцільний ряд помилок та промахів. Сміт та інші неосвічені, і за всіма ними треба щодня доглядати, щоб не вийшло чогось гіршого».
Він вимагав від Болтона вжиття суворих заходів і взагалі був схильний припинити виробництво машин у Сохо. «Усім ледарям треба сказати, - писав він, - що якщо вони будуть так само неуважні, як і досі, то їх проженуть із заводу. Витрати на будівництво машини в Сохо, обходяться нам дуже дорого, і якщо не можна покращити виробництво, то потрібно його зовсім припинити і роздавати роботу на бік».
Виготовлення деталей для машин вимагало належного обладнання. Тому різні вузли машин виготовлялися різних заводах.
Так, на заводі Вілкінсона відливали та розточували циліндри, там же робили днища циліндрів, поршень, повітряний насос та конденсатор. Чавунний кожух для циліндра відливали на одному з ливарних заводів у Бірмінгемі, мідні труби везли з Лондона, а невеликі деталі робили на місці будівництва машини. Всі ці частини фірма «Болтон і Уатт» замовляла за рахунок замовника – власника рудника чи млина.
Поступово окремі частини привозили на місце і збиралися під особистим контролем Уатта. Пізніше він склав докладну інструкціюзі збирання машини. Котел зазвичай клепав на місці місцевими ковалями.
Після успішного запуску машини для відкачування води на одному з копалень у Корнуоллі (вважався найважчим копальні), компанія «Болтон і Уатт» отримала багато замовлень. Господарі копалень побачили, що машина Уатта успішно справляється там, де була безсила машина Ньюкомена. І вони негайно почали замовляти уаттовські насоси.
Уатт був завалений роботою. Він тижнями сидів над своїми кресленнями, їздив на установки машин - ніде не можна було обійтися без його допомоги та спостереження. Він був один і всюди мав встигати.
Щоб парова машина могла приводити в дію інші механізми, потрібно було поворотно-поступальні рухи перетворити на обертальні, а для рівномірного руху пристосувати колесо як маховик.
Насамперед потрібно було жорстко зв'язати поршень та балансир (до цього моменту використовувалися ланцюг чи мотузка).
Уатт припускав здійснювати передачу від поршня до балансиру з допомогою зубчастої смуги, але в балансирі помістити зубчастий сектор.
Зубчастий сектор
Ця система виявилася ненадійною і Уатт був змушений від неї відмовитися.
Передачу обертального моменту планувалося здійснити за допомогою кривошипного механізму.
Кривошипний механізм
Але від кривошипа довелося відмовитися, оскільки ця система вже була запатентована (1780 року) Джеімсом Пікардом. Пікард запропонував Уатту крос-ліцензування, але Уатт відмовився від цієї пропозиції та використав у своїй машині планетарну передачу. (про патенти є неясності, наприкінці статті можна почитати)
Планетарна передача
Двигун Уатта (1788)
При створенні машини з безперервним обертальним рухом, Уатту довелося вирішувати ряд нетривіальних завдань (розподіл пари по двох порожнинах циліндра, автоматичне регулювання обертів та прямолінійний рух штока поршня).
Паралелограм Уатта
Механізм Уатта був винайдений надання тязі поршня прямолінійного руху.
Паровий двигун побудований за патентом Джеймса Уатта у 1848 році у Фрайберзі у Німеччині.
Відцентровий регулятор
Принцип дії відцентрового регулятора простий, чим швидше крутиться вал, тим вище розходяться вантажі під дією відцентрової сили і тим більше перекривається паропровід. Вантажі опускаються – паропровід відкривається.
Схожа система давно вже була відома в борошномельній справі для регулювання відстані між жорнами.
Уатт адаптував регулятор для парової машини.
Пристрій паророзподілу
Система « поршневих клапанів»
Креслення складено одним з помічників Уатта в 1783 (букви поставлені для пояснення). В і В - поршні, з'єднані між собою трубкою і рухаються в трубі D, з'єднаної з конденсатором Н і трубками Е і F з циліндром A; G – паропровід; К - шток, що служить для пересування ВР.
У зображеному на кресленні положенні поршнів ВР простір труби D між поршнями В і В, а також нижня частина циліндра А під поршнем (не зображеному на малюнку), що примикає до F, заповнені парою, тоді як у верхній частині циліндра А над поршнем, сполученою через Е і через З з конденсатором Н - стан розрідження; при підйомі ВР вище F і E нижня частина А через F буде повідомлятись з H, а верхня частина через Е та D - з паропроводом.
Наглядний малюнок
Однак, аж до 1800 року Уатт продовжував користуватися тарілочними клапанами (металеві диски, що піднімалися або опускалися над відповідними вікнами, і приводилися в рух складною системою важелів), оскільки виготовлення системи «поршневих клапанів» вимагало високої точності.
Розробкою механізму паророзподілу займався в основному помічник Уатта Вільям Мердок.
Мердок, продовжував удосконалювати механізм паророзподілу й у 1799 року запатентував D - образний золотник (коробчастий золотник).
Залежно від положення золотника, вікна (4) і (5) повідомляються із замкнутим простором (6) навколишнім золотником і заповненою парою, або з порожниною 7, сполученою з атмосферою або конденсатором.
Після всіх удосконалень було збудовано ось таку машину:
Пара за допомогою паророзподільника, поперемінно подавався в різні порожнини циліндра, а відцентровий регулятор керував клапаном подачі пари (якщо машина занадто розганялася, клапан прикривався і навпаки відкривався якщо занадто сповільнювалася).
Наочне відео
Ця машина вже могла працювати не тільки як насос, а й приводити в дію інші механізми.
У 1784 роціУатт отримав патент на універсальний по застосуванню паровий двигун(Патент № 1432).
Про млин
У 1986 році Болтон і Уатт побудували в Лондоні млин («Млин Альбіону»), що приводиться в дію паровою машиною. Коли млин пустили в хід, почалося справжнє паломництво. Лондонці жваво цікавилися технічними удосконаленнями.
Уатт, не знайомий із маркетингом, обурювався тим, що роззяви заважають йому працювати і вимагав припинення доступу сторонніх. Болтон же вважав, що про машину повинні дізнатися якомога більше людей і тому відкидав прохання Уатта.
Втім, недоліку в клієнтах Болтон і Уатт не відчували. У 1791 році млин згорів (а може його підпалили, тому що мукомоли боялися конкуренції).
Наприкінці вісімдесятих років Уатт припиняє вдосконалювати свою машину. У листах Болтону він пише:
«Дуже можливо, що за винятком деяких покращень у механізмі машини нічого кращого, ніж те, що ми вже зробили, не буде допущено природою, яка для більшості речей визначила свій nec plus ultra (лат. «далі нікуди»)».
І пізніше, Уатт стверджував, що не може відкрити в паровій машині нічого нового, і якщо він займається нею, то лише удосконаленням деталей та перевіркою своїх колишніх висновків та спостережень.
Список російської литературы
Кам'янський А.В. Джемс Уатт, його життя та науково-практична діяльність. СПб, 1891
Вайсенберг Л.М. Джемс Уатт, винахідник парової машини. М. - Л., 1930
Лісников М.П. Джемс Уатт. М., 1935
Конфедератів І.Я. Джемс Уатт – винахідник парової машини. М., 1969
Отже, вважатимуться, перший етап розвитку парових машин закінчився.
Подальший розвиток парових машин було з збільшенням тиску пари і вдосконаленням виробництва.Цитата з БСЕ
Універсальний двигун Уатта завдяки його економічності набув широкого поширення і зіграв велику роль у переході до капіталістичного машинного виробництва. "Великий геній Уатта, - писав К. Маркс, - виявляється в тому, що патент, взятий ним у квітні 1784 р., даючи опис парової машини, зображує її не як винахід лише для особливих цілей, але як універсальний двигун великої промисловості" ( Маркс До., Капітал, т. 1,1955, стор 383-384).
Завод Уатта і Болтона до 1800 побудував св. 250 парових машин, а до 1826 року в Англії налічувалося до 1500 машин із загальною потужністю бл. 80000 л.с. За рідкісним винятком це були машини типу Уатта. Після 1784 Уатт займався головним чином поліпшенням виробництва, а після 1800 року і зовсім відійшов від справ.
