Статтю опубліковано 19.05.2014 05:36 Остання правка зроблена 19.05.2014 05:58

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 приводилася в 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 менш потужною парою. 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 в тактове.

Застосування парових машин практично.

Машина Ньюкомена незабаром стала відома всюди і, зокрема, була вдосконалена, розробленою Джеймсом Уаттом у 1765 році системою подвійної дії. Тепер парова машинавиявилася досить завершеною для використання в транспортних засобах, хоча через свої розміри найкраще підходила для стаціонарних установок. Уатт запропонував свої винаходи та в 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 чи 1765 року він створив автомобіль, який міг перевозити чотирьох пасажирів за середньої швидкості 3,5 і максимальної – 9,5 км/год. За першою спробою була друга – з'явився автомобіль для транспортування гармат. Випробовувався він, природно, військовими, але через неможливість тривалої експлуатації (безперервний цикл роботи) нової машинине перевищував 15 хвилин) винахідник не отримав підтримки влади та фінансистів. Тим часом у Англії вдосконалювалася парова машина. Після кількох невдалих, 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.

попередній перегляд - 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. Однак ще більше прославився 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 паровий машини . У 1821 році її можна було вважати досконалою та досить надійною. З тих пір кожен крок вперед у сфері транспортних засобів, що приводилися в рух парою, безумовно сприяв розвитку майбутніх автомобілів.

В 1825 сер Голдсуорт Гарні на ділянці завдовжки 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 малий. 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.

попередній перегляд - 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 році, перші десять років свого існування виробляла автомобілі з паровим двигунами і досягла при цьому значного успіху - її автомобілі виграли гонки Париж-Руан у 1894 році.

попередній перегляд - 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 почали керувати 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

Визначення

Парова машина- двигун зовнішнього згоряння, який перетворює енергію пари в механічну роботу.

Винахід...

Історія винаходу парових машинпочинає свій відлік ще з першого сторіччя нашої ери. Нам стає відомий пристрій, описаний Героном Александрійським, і пором, що приводиться в дію. Пара, що виходить із сопл по дотичній, закріплених на кулі, змушувала двигун обертатися. Справжня парова турбіна була винайдена в середньовічному Єгипті набагато пізніше. Її винахідником є ​​арабський філософ, астроном та інженер 16 століття Тагі-аль-Діноме. Вертел із лопатями починав обертатися завдяки потокам пари, спрямованим на нього. У 1629 р. подібне рішення було запропоновано італійським інженером Джованні Бранка. Головним мінусом цих винаходів було те, що потоки пари розсіюються, а це безумовно призводить до великих втрат енергії.

Подальший розвиток парових машин не міг відбуватися без належних умов. Необхідно було і економічний добробут та необхідність даних винаходів. Звичайно цих умов не було і не могло бути до 16 століття, через настільки низький рівень розвитку. Наприкінці 17 століття була створена пара екземплярів цих винаходів, але серйозно не була сприйнята. Творцем першою є іспанець Аянс де Бомонт. Едвард Сомерсет - вчений з Англії в 1663 опублікував проект і встановив пристрій, що приводиться в рух пором для підйому води на стіну Великої вежі в замку Реглан. Але оскільки все нове важко сприймається людиною, то фінансувати цей проект ніхто не наважився. Творцем парового казана вважається француз Дені Папен. У ході проведення дослідів з витіснення повітря з циліндра за допомогою вибуху пороху він з'ясував, що повний вакуум можна отримати тільки за допомогою киплячої води. А щоб цикл був автоматичний, необхідно, щоб пар вироблявся окремо в котлі. Папену приписують винахід човна, який рухався за допомогою реактивної сили в комбінації концепцій Тагі-аль-Діна і Півночі; також його винаходом вважається запобіжний клапан.

Всі описані пристрої не були використані та визнані практичними. Навіть «пожежна установка», яку 1698 року сконструював Томас Севері, прослужила не довго. Через високий тиск створюваної парою в ємностях з рідинами вони часто вибухали. Тому його винахід вважали небезпечним. У світлі всіх цих невдач історія винаходу парових машинмогла б перерватись, але ні.

Прев'ю - збільшення на кліку.

На картинках зображено паровий тягач Куньо. Як можна помітити, він був дуже громіздким та незручним в управлінні.

Англійським коваль, Томас Ньюкомен в 1712 продемонстрував свій « атмосферний двигун». Він був удосконаленою моделлю парового двигуна Півночі. Він отримав своє застосування як відкачування води з шахт. У шахтному насосі коромисло було пов'язане з тягою, яка спускалася до шахти камери насоса. Поворотно-поступальні рухи тяги передавалися поршню насоса, який подавав воду нагору. Двигун Ньюкомена був популярним і мав попит. Саме з появою даного двигунаприйнято пов'язувати початок англійської промислової революції. У Росії перша вакуумна машина була спроектована І. І. Ползуновим в 1763, а через рік проект був втілений в життя. Вона приводила в дію повітродувне хутро на Барнаульських Коливано-Воскресенських заводах. Ідея Олівера Еванса та Річарда Тревітіка, про використання пар високого тиску, принесла значні результати. Р.Тревітик успішно збудував промислові однотактові двигуни високого тиску, відомі як «корнуельські двигуни». Незважаючи на підвищення ефективності, також зросла кількість випадків вибухів котлів, які не витримували величезного тиску. Тому прийнято було використовувати запобіжний клапан для випуску зайвого тиску.

Французький винахідник Ніколас-Йозеф Куньо продемонстрував у 1769 році перший самохідний паровий транспортний засіб, що діє: «fardier à vapeur» (паровий віз). Його винахід можна вважати першим автомобілем. Самохідний паровий трактор, що використовується як мобільне джерело механічної енергії, показав свою ефективність, він наводив у рух різні СХ машини. У 1788 році був побудований Джоном Фітчем пароплав, який здійснював регулярне сполучення по річці Делавер між Філадельфією та Берлінгтоном. Він мав місткістю всього 30 чоловік, а пересувався зі швидкістю до 12 км/год. 21 лютого 1804 року на металургійному заводі Пенідаррен у Мертір-Тідвілі в Південному Уельсі було продемонстровано перший самохідний залізничний паровий потяг, збудований Річардом Тревітіком.

15 Чи хтось сумнівається, що однією з головних рушійних сил прогресу є людська лінь і прагнення до комфорту. Це підтверджується незліченними казками, де транспорт пересувається «за щучим велінням», а щасливчики мають чарівні помічники, які позбавляють господаря необхідності зробити хоч якесь фізичне зусилля. Але оскільки в реальності «само» нічого не робиться, протягом усієї історії людства найкращі уми корпіли над винаходами, які б допомогли втілити ці мрії в життя.

Якщо говорити мовою фізики і техніки, потрібно було винайти пристрій, який міг би перетворити той чи інший вид енергії на корисну механічну роботу. З найдавніших часів головним і основним джерелом енергії була м'язова сила людини і тварин, а всі наявні технічні пристрої в кращому разі допомагали використовувати її раціональніше і продуктивніше. Пізніше люди навчилися застосовувати силу вітру і води, що тече або падає з висоти, змусивши їх працювати у вітряних та водяних двигунах. Однак потужність таких двигунів була невелика, і треба було освоювати перспективніші види енергії теплову, хімічну та електричну.

Перший відомий тепловий пристрій, який працював за рахунок сили пари, був побудований грецьким ученим Архімедом у III ст. до зв. е. То була гармата, один кінець якої нагрівали, а потім заливали туди воду. Миттєво нагріваючись, вода перетворювалася на пару, яка, розширюючись, виштовхувала з жерла ядро. Через два століття інший грецький вчений Герон Олександрійський створив та описав ще одну теплову машинупорожня залізна куля, здатна обертатися навколо горизонтальної осі. З закритого котла з окропом пар по трубці надходив у кулю, звідки виходив назовні через вигнуті сопла, при цьому куля приходила в обертання.

Пароплав "Мейфлауер" на річці Міссісіпі. 1855 р.

Півтора тисячоліття «геронова куля» була лише забавною іграшкою, і лише в XVI ст. вчені замислилися про можливість практичного застосування теплової енергії. Знаменитий винахідник Леонардо да Вінчі був першим, хто припустив, що пара може виконувати корисну роботу. Про це свідчать малюнки в його рукописах, що зображують циліндр та поршень. Так Вінчі стверджував, що якщо під поршень в циліндр помістити воду, а сам циліндр нагріти, то водяна пара, що утворюється, буде розширюватися, що змусить його шукати вихід і переміщати поршень вгору. Паралельно арабський інженер Тагі аль Дін розробив проект пристрою, в якому пара, що прямує на закріплені по обіду колеса лопаті, обертала рожен. У XVII ст. схожу машинупобудував італійський винахідник Джованні Бранка. Анкерний пристрій, що рухався парою, по черзі піднімав і опускав пару пестів у ступах, внаслідок чого можна було дробити зерно. Однак у цих прообразах парових турбін потік пари був надто розсіяним, у результаті відбувалася значна втрата енергії.

Наприкінці XVII в. створювані парові машини були скоріше одиничними технічними дивовижками, оскільки економічних передумов для їхнього масового використання ще не було. У 170-х роках французький винахідник Дені Папен і голландський фізик Христиан Гюйгенс працювали над машиною, в якій поршень піднімався за рахунок розширення газів при вибуху пороху. У 1680 р. Папен створив варіант двигуна, у якому замість пороху використовувалася вода. Її наливали в циліндр під поршень, а сам циліндр розігрівали знизу, при цьому пар, що утворюється, піднімав поршень. Потім циліндр охолоджували, і пар, що знаходиться в ньому, конденсувався, знову перетворюючись у воду.

Паровий двигун Д. Папена.

Поршень, як і у випадку порохового двигуна, під дією своєї ваги та атмосферного тиску опускався. Папен також вважається винахідником парового котла, оскільки саме він зрозумів, що для автоматизації циклу пар повинен подаватися в циліндр ззовні (тому паровий двигун вважається двигуном зовнішнього згоряння: паливо, що розігріває воду, спалюється поза робочим циліндром).

Першим паровим двигуном, який був не без успіху використаний на виробництві, стала сконструйована в 1698 англійським військовим інженером Томасом Севери «пожежна установка». Цей пристрій, самим винахідником названий «друг рудокопа», був паровим насосом, який використовувався для обертання коліс водяного млина і для відкачування води з шахт. Машина була не надто ефективною через великі втрати тепла під час охолодження контейнера і досить небезпечною в експлуатації, оскільки через високий тиск пари трубопроводи та ємності двигуна нерідко вибухали.

1712 р. англійський коваль Томас Ньюкомен продемонстрував свій «атмосферний двигун». Це був удосконалений паровий двигун Півночі, у якому робочий тискпара вдалося значно знизити, отже, двигун став безпечнішим. Пара з котла надходила в основу циліндра і піднімала поршень.

Скільки коней?

Концепція кінської силияк одиниці потужності парової машини запровадив Дж. Уатт. Але першим термін став застосовувати Т. Севери ще 1698 р. У цьому підхід вони різний. Півночі оцінював потужність свого насоса, виходячи з того, що для його роботи на добу потрібно 10 коней, що змінюються в міру втоми. Уатт же враховував тільки працюючих зараз пару запряжених коней. У результаті виходило, що потужність майже однакових парових машин Півночі оцінював у 10 «конячок», а Уатт лише у дві.

Відкачування води з вугільної шахти за допомогою парової машини Т. Ньюкомена. Ілюстрація з The Universal Magazine. 1747 р.

К. Ф. фон Бреда. Потрет Джеймс Уатт. 1792 р.

При впорскуванні в циліндр холодної води пара конденсувалася, утворювався вакуум, і під впливом атмосферного тиску поршень опускався. Цей зворотний хід видаляв воду з циліндра і за допомогою ланцюга, з'єднаного з коромислом, піднімав шток насоса. Саме машина Ньюкомена стала першим паровим двигуном, з яким прийнято пов'язувати початок промислової революції в Англії. Вона виявилася настільки вдалою, що використовувалась у Європі понад 50 років. Проте до конструкції вносилися деякі важливі зміни. Зокрема, 1718 р. англієць Генрі Бейтон винайшов розподільчий механізм, який автоматично включав або відключав пару і впускав воду. Він доповнив паровий котел запобіжним клапаном.

Проект першої у світі парової машини, здатної безпосередньо приводити у дію будь-які робочі механізми, запропонував у 1763 р. російський винахідник Іван Іванович Ползунов, механік на Коливано-Воскресенських гірничорудних заводах Алтаю. Його машина була двоциліндровим вакуумним агрегатом з поршнями, з'єднаними ланцюгом, перекинутим через шків. Усі дії в ньому відбувалися автоматично. Замість дослідного зразка заводське начальство вимагало одразу побудувати велику машинудля потужного повітродувки. Двигун будували майже два роки і до запуску винахідник не дожив. Машина успішно пройшла випробування та була запущена в експлуатацію. Вже за три місяці вона не лише виправдала витрати, а й дала прибуток. Однак через деякий час котел дав текти, і з незрозумілих міркувань лагодити машину не стали.

Приблизно в цей час в Англії над створенням парової машини працював шотландець Джеймс Уатт. Він займався удосконаленням двигуна Ньюкомена. Було ясно, що основний недолік машини Ньюкомена полягав у поперемінному нагріванні та охолодженні циліндра. Уатт припустив, що циліндр може залишатися гарячим, якщо до конденсації відводити пар в окремий резервуар через трубопровід з клапаном. Більш того, циліндр може залишатися гарячим, а конденсатор холодним, якщо зовні покрити теплоізоляційним матеріалом. У 1768 р. він отримав на свій винахід патент, але побудувати машину зміг тільки в 1776 р. Вона виявилася вдвічі ефективнішою за машину Ньюкомена.

Парова машина Повзунова.

І. І. Повзунов.

У 1782 з'явилася створена Уаттом перша універсальна парова машина подвійної дії. Її кришка була оснащена сальником, який забезпечував поршню вільний рух штока і водночас запобігав витоку пари з циліндра. Пара надходила в циліндр з двох сторін поршня поперемінно, таким чином, поршень здійснював за допомогою пари і робочий, і зворотний хід, чого не було в колишніх машинах. Уатт отримав на свою «ротативну парову машину» патент, і вона почала широко застосовуватися для приведення в дію верстатів та машин спочатку на прядильних та ткацьких фабриках, а згодом і на інших промислових підприємствах.

Паровоз «Пихкаючий Біллі».

Макет парової машини Дж. Уатта.

Крім промисловості парові машини міцно зайняли місце в сільському господарствіта на транспорті. Ще в 1850 р. англійський винахідник Вільям Говард використав для оранки локомобіль компактний пересувний паровий двигун. У 1879 р. селянин Федір Блінов із Саратовської губернії побудував та запатентував перший у світі гусеничний трактор, що приводиться в дію паровою машиною потужністю 20 л. с.

Перший зразок автомобіля з паровим двигуном в 1769 р. випробував французький винахідник Ніколя Жозе Кюньо, його творіння набуло популярності як «малий паровий віз Кюньо». Через рік публіці представили вже «великий паровий воз Кюньо». У 1788 р. у США було організовано пароплавне сполучення по річці Делавер між містами Філадельфія та Берлінгтон. Сконструйований Джоном Фітчем пароплав міг прийняти на борт 30 пасажирів і везти їх зі швидкістю 7-8 миль на годину. А в 1804 р. Річард Тревітік продемонстрував перший самохідний залізничний локомотив на паровій тязі, побудований на металургійному заводі Пенідаррен у Мер-Тір-Тідвілі (Південний Уельс).

Незважаючи на всі зусилля інженерів, досить низький ККД парових двигунів підвищити так і не вдалося, і вже до кінця XIX ст. з повною віддачею послужили технічного прогресумашини почали поступово складати свої позиції. на автомобільному транспортівони поступилися місцем двигунам внутрішнього згоряння, на залізниці та в промисловості електродвигунам. Однак у теплоенергетиці і окремих видах транспорту парові машини (особливо парові турбіни) як і використовуються досить широко.

Парова турбіна сталеливарного заводу.

Парова машина- тепловий двигун зовнішнього згоряння, що перетворює енергію пари в механічну роботу зворотно-поступального руху поршня, а потім в обертальний рух валу. У більш широкому сенсі парова машина - будь-який двигун зовнішнього згоряння, який перетворює енергію пари на механічну роботу.

Горизонтальна стаціонарна двоциліндрова парова машина для приводу заводських трансмісій. Кінець ХІХ ст. Експонат Музею індустріальної культури. Нюрнберг

Значення парових машин

Парові машини використовувалися як приводний двигун у насосних станціях, локомотивах, на парових суднах, тягачах, парових автомобілях та інших транспортних засобах. Парові машини сприяли широкому поширенню комерційного використання машин на підприємствах і стали енергетичною основою промислової революції XVIII століття. Пізні парові машини були витіснені двигунами внутрішнього згоряння, паровими турбінами та електромоторами, ККД яких вищий.

Парові турбіни, що формально є різновидом парових машин, досі широко використовуються як приводи генераторів електроенергії. Приблизно 86% електроенергії, що виробляється у світі, виробляється з використанням парових турбін.

Принцип дії

Для приводу парової машини потрібен паровий котел. Пара, що розширюється, тисне на поршень або на лопатки парової турбіни, рух яких передається іншим механічним частинам. Одна з переваг двигунів зовнішнього згоряння в тому, що відокремлення котла від парової машини можна використовувати практично будь-який вид палива - від кизяка до урану.

Винахід та розвиток

Перший відомий пристрій, що рухається пором, був описаний Героном Олександрійським у першому столітті. Пара, що виходить по дотичній з дюз, закріплених на кулі, змушувала останній обертатися. Реальна парова турбіна була винайдена набагато пізніше, у середньовічному Єгипті, арабським філософом, астрономом та інженером XVI століття Тагі-аль-Діноме. Він запропонував метод обертання рожна за допомогою потоку пари, що спрямовується на лопаті, закріплені по ободу колеса. Подібну машину запропонував у 1629 р. італійський інженер Джованні Бранка для обертання циліндричного анкерного пристрою, який по черзі піднімав і відпускав пару пестів у ступах. Паровий потік у цих ранніх парових турбінах був концентрованим, і більшість його енергії розсіювалася в усіх напрямах, що призводило до значних втрат енергії.

Проте розвиток парового двигуна вимагало економічних умов, у яких розробники двигунів могли б скористатися їх результатами. Таких умов не було ні в античну епоху, ні в середньовіччі, ні в епоху Відродження. Тільки наприкінці 17 століття парові двигуни були створені як поодинокі курйози. Перша машина була створена іспанським винахідником Єронімо Аянсом де Бомонт, винаходи якого вплинули на патент Т. Півночі (див. нижче). Принцип дії та застосування парових машин було описано також у 1655 р. англійцем Едвардом Сомерсетом. У 1663 р. він опублікував проект і встановив пристрій для підйому води на стіну Великої вежі в замку Реглан (поглиблення в стіні, де двигун був встановлений, були ще помітні в 19-му столітті). Однак ніхто не був готовий ризикувати грошима для цієї нової революційної концепції і парова машина залишилася нерозробленою. Одним із дослідів французького фізика та винахідника Дені Папена було створення вакууму у закритому циліндрі. У 1670-х у Парижі він у співпраці з голландським фізиком Гюйгенсом працював над машиною, яка витісняла повітря з циліндра шляхом вибуху пороху в ньому. Бачачи неповноту вакууму, створюваного при цьому, Папен після приїзду в Англію в 1680 р. створив варіант такого ж циліндра, в якому отримав більш повний вакуум за допомогою окропу, яка конденсувалася в циліндрі. Таким чином, він зміг підняти вантаж, приєднаний до поршня мотузкою, перекинутою через шків. Система працювала як демонстраційна модель, але для повторення процесу весь апарат повинен був бути демонтований і повторно зібраний. Папен швидко зрозумів, що для автоматизації циклу пар повинен бути виготовлений окремо в котлі. Тому Папен вважається винахідником парового котла, проклавши таким чином шлях до парового двигуна Ньюкомена. Однак конструкцію діючої парової машини він не запропонував. Папен також проектував човен, що рухається колесом з реактивною силою у комбінації концепцій Тагі-аль-Діна та Півночі; йому також приписують винахід безлічі важливих пристроївнаприклад, запобіжного клапана.

Жоден з описаних пристроїв мало був застосовано як рішення корисних завдань. Першим застосованим з виробництва паровим двигуном була «пожежна установка», сконструйована англійським військовим інженером Томасом Севери 1698 року. На свій устрій Півночі у 1698 році отримав патент. Це був поршневий паровий насос, і, очевидно, не надто ефективний, тому що тепло пари щоразу губилося під час охолодження контейнера, і досить небезпечне в експлуатації, оскільки внаслідок високого тиску пара ємності та трубопроводи двигуна іноді вибухали. Так як цей пристрій можна було використовувати як для обертання коліс водяного млина, так і для відкачування води з шахт, винахідник назвав його «другом рудокопа».

Потім англійський коваль Томас Ньюкомен в 1712 продемонстрував свій «атмосферний двигун». Це був удосконалений паровий двигун Півночі, у якому Ньюкомен суттєво знизив робочий тиск пари. Першим застосуванням двигуна Ньюкомена була відкачування води із глибокої шахти. У шахтному насосі коромисло було пов'язане з тягою, яка спускалася до шахти камери насоса. Поворотно-поступальні рухи тяги передавалися поршню насоса, який подавав воду нагору. Саме двигун Ньюкомена став першим паровим двигуном, який одержав широке практичне застосування, з яким прийнято пов'язувати початок промислової революції в Англії. Перша в Росії двоциліндрова вакуумна парова машина була спроектована механіком І. І. Повзуновим в 1763 і побудована в 1764 для приведення в дію повітродувного хутра на Барнаульських Коливано-Воскресенських заводах. Подальшим підвищенням ефективності було застосування пари високого тиску (американець Олівер Еванс та англієць Річард Тревітік). Р.Тревітик успішно збудував промислові однотактові двигуни високого тиску, відомі як «корнуельські двигуни». Вони працювали з тиском 50 фунтів на квадратний дюйм або 345 кПа (3,405 атмосфери). Однак із збільшенням тиску виникала і велика небезпека вибухів у машинах та котлах, що призводило спочатку до численних аварій. З цієї точки зору найбільш важливим елементом машини високого тиску був запобіжний клапан, який випускав надлишковий тиск. Надійна та безпечна експлуатаціяпочалася лише з накопиченням досвіду та стандартизацією процедур спорудження, експлуатації та обслуговування обладнання. Французький винахідник Ніколас-Йозеф Куньо в 1769 продемонстрував перший діючий самохідний паровий транспортний засіб: «fardier à vapeur» (паровий віз). Можливо, його винахід можна вважати першим автомобілем. Самохідний паровий трактор виявився дуже корисним як мобільне джерело механічної енергії, що наводило в рух інші сільськогосподарські машини: молотілки, преси та ін. (штат Нью-Йорк). Він піднімав на борт 30 пасажирів і йшов зі швидкістю 7-8 миль на годину. 21 лютого 1804 року на металургійному заводі Пенідаррен у Мертір-Тідвілі в Південному Уельсі демонструвався перший самохідний залізничний паровий локомотив, збудований Річардом Тревітіком.

Парові машини зі зворотно-поступальним рухом

Двигуни зі зворотно-поступальним рухом використовують енергію пари для переміщення поршня в герметичній камері або циліндрі. Поворотно-поступальна дія поршня може бути механічно перетворена в лінійний рух поршневих насосів або в обертальний рух для приводу частин верстатів або коліс транспортних засобів, що обертаються.

Вакуумні машини

Гравюра двигуна Ньюкомена. Це зображення скопійовано з малюнка у роботі Дезаглірса «курс експериментальної філософії», 1744 року, яка є зміненою копією гравюри Генрі Бітона, датованої 1717 роком. Ймовірно, зображено другий двигун [хой] Ньюкомена, встановлений приблизно в 1714 у вугільній шахті Гріф в Уоркширі.

Ранні парові машини називалися спочатку вогневими машинами, а також атмосферними або конденсуючими двигунами Уатта. Вони працювали на вакуумному принципі і тому відомі також як вакуумні двигуни. Такі машини працювали для приводу поршневих насосів, принаймні немає жодних свідчень про те, що вони використовувалися в інших цілях. При роботі парової машини вакуумного типу на початку такту пар низького тискувпускається в робочу камеру чи циліндр. Впускний клапан після цього закривається і пара охолоджується, конденсуючись. У двигуні Ньюкомена вода, що охолоджує, розпорошується безпосередньо в циліндр, і конденсат збігає в збірку конденсату. Таким чином створюється вакуум у циліндрі. Атмосферний тиск у верхній частині циліндра тисне на поршень і викликає його переміщення вниз, тобто робочий хід.

Поршень пов'язаний ланцюгом із кінцем великого коромисла, що обертається навколо своєї середини. Насос під навантаженням пов'язаний ланцюгом із протилежним кінцем коромисла, яке під дією насоса повертає поршень до верхньої частини циліндра силою гравітації. Так відбувається зворотний перебіг. Тиск пари низький і не може протидіяти руху поршня.

Постійне охолодження та повторне нагрівання робочого циліндра машини було дуже марнотратним і неефективним, проте ці парові машини дозволяли відкачувати воду з більшої глибини, ніж це було можливо до появи. У 1774 році з'явилася версія парової машини, створена Уаттом у співпраці з Меттью Боултоном, основним нововведенням якої стало винесення процесу конденсації у спеціальну окрему камеру (конденсатор). Ця камера поміщалася у ванну з холодною водою, і з'єднувалася з циліндром трубкою, що перекривається клапаном. До конденсаційної камери була приєднана спеціальна невелика вакуумна помп (прообраз конденсатного насоса), що рухається коромислом і служить для видалення конденсату з конденсатора. Утворилася гаряча водаподавалася спеціальним насосом (прообразом живильного насоса) у котел. Ще одним радикальним нововведенням стало закриття верхнього кінця робочого циліндра, у верхній частині якого тепер була пара низького тиску. Ця ж пара була у подвійній сорочці циліндра, підтримуючи його постійну температуру. Під час руху поршня вгору ця пара спеціальними трубками передавалася в нижню частину циліндра, для того, щоб піддатися конденсації під час наступного такту. Машина по суті перестала бути «атмосферною», і її потужність тепер залежала від різниці тисків між парою низького тиску і тим вакуумом, який вдавалося отримати.

версія парової машини, створена Уаттом

У паровій машині Ньюкомена мастило поршня здійснювалося невеликою кількістюналитої на нього зверху води, в машині Уатта це стало неможливим, оскільки у верхній частині циліндра тепер була пара, довелося перейти на мастило сумішшю тавота і нафти. Таке ж мастило використовувалося в сальнику штока циліндра.

Вакуумні парові машини, незважаючи на очевидні обмеження їх ефективності, були відносно безпечні, використовували пару низького тиску, що цілком відповідало загальному невисокому рівню котелень XVIII століття. Потужність машини обмежувалася низьким тиском пари, розмірами циліндра, швидкістю згоряння палива та випаровування води в котлі, а також розмірами конденсатора. Максимальний теоретичний ККД був обмежений відносно малою різницею температур з обох боків поршня; це робило вакуумні машини, призначені для промислового використання, надто великими та дорогими.

Приблизно 1811 року Річарду Тревітнику потрібно було вдосконалити машину Уатта, щоб пристосувати її до нових котлів Корніша. Тиск пари над поршнем досяг 275 кПа (2,8 атмосфери), і саме він давав основну потужність для здійснення робочого ходу; крім того, було суттєво вдосконалено конденсатор. Такі машини отримали назву машин Корніша, і будувалися до 1890-х років. Безліч старих машин Уатта було реконструйовано до цього рівня. Деякі машини Корніша мали дуже великий розмір.

Парові машини високого тиску

У парових машинах пара надходить із котла в робочу камеру циліндра, де розширюється, чинячи тиск на поршень і здійснюючи корисну роботу. Після цього розширена пара може випускатися в атмосферу або надходити в конденсатор. Важлива відмінність машин високого тиску від вакуумних полягає в тому, що тиск відпрацьованої пари перевищує атмосферний або дорівнює йому, тобто вакуум не створюється. Відпрацьована пара зазвичай мав тиск вищий за атмосферний і часто викидався в димову трубу, що дозволяло збільшити тягу котла.

Важливість збільшення тиску пари полягає в тому, що при цьому він набуває більш високої температури. Таким чином, парова машина високого тиску працює за більшої різниці температур ніж та, яку можна досягти у вакуумних машинах. Після того, як машини високого тиску замінили вакуумні, вони стали основою для подальшого розвитку та вдосконалення всіх зворотно-поступальних парових машин. Однак той тиск, який вважався у 1800 році високим (275-345 кПа), зараз розглядається як дуже низький - тиск у сучасних парових котлах у десятки разів вищий.

Додаткова перевага машин високого тиску полягає в тому, що вони набагато менші при заданому рівні потужності, і, відповідно, значно менш дорогі. Крім того, така парова машина може бути досить легкою та компактною, щоб використовуватися на транспортних засобах. Паровий транспорт (паровози, пароплави), що виник в результаті, революціонізував комерційні та пасажирські перевезення, військову стратегію, і взагалі торкнувся практично кожного аспекту суспільного життя.

Схема горизонтальної одноциліндрової парової машини високого тиску, подвійної дії. Відбір потужності здійснюється приводним ременем:

1 - Поршень
2 - Шток поршня
3 - Повзун
4 - Шатун
5 - Колінчастий вал
6 - Ексцентрик для приводу клапана
7 - Маховик
8 - Золотник
9 - Відцентровий регулятор.

Парові машини подвійної дії

Наступним важливим кроком у розвитку парових машин високого тиску стала поява подвійних машин. У машинах одиночної дії поршень переміщався в один бік силою пари, що розширюється, але назад він повертався або під дією гравітації, або за рахунок моменту інерції обертового маховика, з'єднаного з паровою машиною.

У парових машинах подвійної дії свіжа пара по черзі подається в обидва боки робочого циліндра, тоді як відпрацьована пара з іншого боку циліндра виходить в атмосферу або конденсатор. Це вимагало створення досить складного механізму паророзподілу. Принцип подвійної дії підвищує швидкість роботи машини та покращує плавність ходу.

Поршень такої парової машини з'єднаний зі ковзним штоком, що виходить із циліндра. До цього штока кріпиться шатун, що коливається, що приводить в рух кривошип маховика. Система паророзподілу приводиться в дію іншим кривошипним механізмом. Механізм паророзподілу може мати функцію реверсу для того, щоб можна було змінювати напрямок обертання маховика машини.

Парова машина подвійної дії приблизно вдвічі потужніша за звичайну парову машину, і крім того, може працювати з набагато легшим маховиком. Це зменшує вагу та вартість машин.

Більшість зворотно-поступальних парових машин використовує саме цей принцип роботи, що добре видно з прикладу паровозів. Коли така машина має два або більше циліндрів, кривошипи встановлюються зі зсувом 90 градусів для того, щоб гарантувати можливість запуску машини при будь-якому положенні поршнів в циліндрах. Деякі колісні пароплавимали одноциліндрову парову машину подвійного дії, і них доводилося стежити, щоб колесо не зупинялося в мертвій точці, тобто у такому положенні, у якому запуск машини неможливий.

Історія парових двигунів своїми витоками сягає 1 століття н.е., коли Герон Олександрійський вперше описав еоліпіл. Більш, ніж 1500 років по тому, в 1551 османський вчений Такіюддін аш-шамі описав примітивні турбіни, що рухаються пором, а в 1629 подібне відкриття зробив Джованні Бранка. Ці пристрої являли собою парові рожни для смаження або невеликі передавальні механізми. В основному, такі конструкції використовували винахідники для демонстрації потужності пари та докази того, що її не варто недооцінювати.

У 1700-х роках рудокопи зіткнулися із серйозним випробуванням - необхідністю викачування води з глибоких шахт. На допомогу прийшла та сама сила пари. За допомогою енергії пари вдалося викачати воду із шахт. Це застосування розкрило потенційну силу пари та призвело до винаходу парового двигуна. Парові електростанції з'явилися пізніше. Головний принцип, на якому працюють парові двигуни, полягає у “конденсації водяної пари для створення часткового вакууму”.

Томас Півночі та перші промислові двигуни

Томас Севери першим винайшов паровий насос у 1698 році, він призначався для викачування води. Цей винахід часто називають "вогненним двигуном" або двигуном для "підйому води вогнем". Паровий насос, запатентований на Півночі, працював шляхом кип'ятіння води до неї повного перетворенняу пар. Потім кожна крапелька пари піднімалася в бак, а в ємності, де спочатку була вода, утворювався вакуум. Цей вакуум використовувався для викачування води із глибинних шахт. Але рішення виявилося тимчасовим, оскільки енергії пари вистачало лише для викачування води з глибини кількох метрів. Ще одним недоліком цієї конструкції було використання тиску пари для виведення води, що всмоктується у бак. Тиск був надто високим для котлів, що викликало низку сильних вибухів.

Машини низького тиску

Високе споживання вугілля, властиве паровим машинамНьюкомена скоротилася завдяки інноваціям Джеймса Ватта. Циліндр машини низького тиску був оснащений термозахистом, окремим конденсатором та водовідливним механізмом для конденсованої води. Таким чином, споживання вугілля в машинах низького тиску було знижено більш ніж на 50%.

Іван Ползунов та перша двоциліндрова парова машина

Першим у Росії парову машину винайшов Іван Ползунов. Його двоциліндрова парова машина була потужнішою, ніж англійські двигуни без наддуву. Вони сягали потужності 24 кВт. Модель двоциліндрової парової машини Ползунова виставлена ​​у музеї Барнаула.

Парова машина Томаса Ньюкомена

1712 року Томас Ньюкомен винайшов дуже вдалу з практичної точки зору парову машину. Його модель складалася з пістона або циліндра, який рухав величезну дерев'яну колоду для запуску водяного насоса. Зворотний хід у машині діяв за рахунок гравітації, яка штовхала донизу кінець колоди з боку насоса. Машина Ньюкомена активно використовувалася упродовж 50 років. Потім її визнали неефективною, оскільки для активного функціонування потрібно дуже багато енергії. Потрібно було підігрівати циліндр, оскільки він постійно остигав, внаслідок чого спалювалося дуже багато палива.

Удосконалення Джеймса Ватта

Джеймс Ватт здійснив справжню революцію історія розвитку парових машин, впровадивши у вихідну конструкцію окремий конденсатор. Він ввів цю новацію в 1765 році. Але лише через 11 років вдалося досягти конструкції, яку можна було б застосовувати у промислових масштабах. Сама велика проблемау реалізації задуму Ватта полягала у технології створення великого пістону задля збереження необхідної кількості вакууму. Але незабаром технологія досягла великого прогресу, і як тільки патент отримав достатнє фінансування, парова машина Ватта почала активно використовуватись на залізницяхта кораблях. У понад 60 000 автомобілів працювали на парових двигунах з 1897 по 1927 роки.

Машини високого тиску

У 1800 році Річард Тревітік винайшов парові машини високого тиску. Порівняно з усіма раніше винайденими конструкціями парових машин цей варіант був найпотужнішим. Але по-справжньому успішною стала конструкція, запропонована Олівером Евансом. В її основі лежала ідея приведення двигуна в рух парою, а не конденсування пари для створення вакууму. Еванс винайшов першу парову машину без конденсації, що працює під високим тиском, у 1805 році. Машина була стаціонарною і розвивала 30 обертів за хвилину. Ця машина спочатку використовувалася для руху пили. Такі машини підтримувалися величезними резервуарами з водою, що грілася джерелом тепла, розміщеного безпосередньо під резервуаром, що дозволяло ефективно виробляти необхідну кількість пари.

Незабаром ці парові машини набули широкого застосування в моторних човнах і на залізницях, у 1802 та 1829 роках відповідно. Майже через півстоліття з'явилися перші парові автомобілі. Чарлз Алджернон Парсонс в 1880 винайшов першу парову турбіну. На початку 20 століття, парові двигуни широко використовувалися в авто-і кораблебудуванні.

Корнуельські парові двигуни

Річард Треветік спробував удосконалити паровий насос, винайдений Ваттом. Він був видозмінений для використання в корнуельських казанах, винайдених Треветиком. Ефективність корнуельської парової машини була значно покращена Вільямом Сімсом, Артуром Вульфом та Семюелем Грузом. Оновлені корнуельські парові машини складалися із ізольованих труб, двигуна та котлів для підвищеної ефективності.