Кто создал первый паровой двигатель: Паровой двигатель создали три века назад — он изменил мир сильнее, чем смартфоны и интернет

Содержание

Движимые паром. История паровых машин / Аналитика

Поставить пар на службу человечеству люди смогли лишь в самом конце XVII века. Но еще в начале нашей эры древнегреческий математик и механик Герон Александрийский наглядно показал, что с паром можно и нужно дружить. Наглядным подтверждением тому стал Героновский эолипил, фактически, первая паровая турбина — шар, который вращался силой струй водяного пара.

Эолипил Герона.

К великому сожалению, многие удивительные изобретения древних греков на долгие столетия были прочно забыты. Лишь к XVII столетию относится описание чего-то, похожего на паровую машину. Француз Соломон де Ко (Salomon de Caus), бывший одно время строителем и инженером у Фридриха V Пфальцского, в своем сочинении от 1615 года описал полый железный шар с двумя трубками: принимающей и выводящей жидкость. Если наполнить шар водой и подогреть, то по второй трубке вода начнет подниматься наверх, повинуясь воздействию паров. В 1663 году уже англичанин Эдвард Сомерсет (Edward Somerset), маркиз Уорчестерский, написал брошюру, в которой рассказал о машине, могущей поднимать воду наверх.
Тогда же Сомерсет получил патент («привилегию») на описанную машину. Как видим, все мысли изобретателей Нового времени вращались вокруг выкачивания воды из шахт и копей, что, надо отметить, проистекало из насущной задачи. Поэтому неудивительно, что следующие три изобретателя, о которых пойдет речь ниже, также были в первую очередь озабочены созданием паровой машины для откачки воды. Ближе к самому завершению XVII века два человека в Европе результативнее других работали над укрощением пара — Дени Папен (Denis Papin) и Томас Сэйвери (Thomas Savery).

«Огненная» машина Сэйвери.

Англичанин Сэйвери 2 июля 1698 года получил патент на машину для откачки воды из шахт. В патенте говорилось: «Жалуется привилегия Томасу Сэйвери за проведенное им одним испытания нового изобретения для подъема воды, вращения любых видов мельниц путем сил огня, что будет очень важно для осушения шахт, снабжения городов водой и вращения всех видов мельниц». Опытный образец под названием «Огненный мотор» (Fire engine) в 1699 году был выставлен напоказ в Королевском Научном обществе в Лондоне.
Машина Сэйвери функционировала таким образом: герметичный резервуар наполнялся паром, а после внешнюю поверхность резервуара охлаждали холодной водой, из-за чего пар конденсировался, создавая в резервуаре частичный вакуум. Затем вода со дна со дна шахты через заборную трубу засасывалась в резервуар и, после впуска новой порции пара, выталкивалась наружу через выпускную трубу. Стоит отметить, что изобретение Сэйвери походило на машину Сомерсета, и многие полагают, что Сэйвери напрямую отталкивался от последней. К сожалению, у «огненной» машины Сэйвери нашлись недостатки. Самый главный из них — невозможность поднимать воду с глубины более 15 метров, хотя в то время уже существовали шахты, чья глубина превышала 100 метров. Кроме того, машина потребляла очень много топлива, что не было оправдано даже близостью большого количества угля на шахте. Француз Дени Папен, медик по образованию, в 1675 году переехал в Лондон. Папен сделал несколько открытий, которые навечно вписали его имя в историю.
Для начала Папен изобретает скороварку — «Папенов котел». Бывший медик смог установить зависимость между давлением и температурой кипения воды. Герметичный котел с предохранительным клапаном благодаря повышенному давлению внутри доводил воду до кипения гораздо позже, поэтому температура обработки продуктов повышалась и последние готовились в разы быстрее. В 1674 году Папен создал пороховой двигатель: в цилиндре воспламенялся порох, отчего поршень внутри цилиндра перемещался. Одна «партия» газов выпускалась из цилиндра через специальный клапан, а другая — охлаждалась. В цилиндре образовывался вакуум (пусть и слабенький), и атмосферное давление опускало поршень вниз.

Поршневая паровая машина Папена.

В 1698 году Папен изобретает паровую машину с применением воды, которая нагревалась внутри вертикального цилиндра — образовавшийся пар двигал поршень вверх. Затем цилиндр охлаждали водой, пар конденсировался и возникал вакуум. Все то же атмосферное давление заставляло поршень опускаться. Несмотря на прогрессивность своей машины (наличие поршня), Папен не смог извлечь из нее каких-либо значимых дивидендов, поскольку Сэйвери запатентовал паровой насос, а других способов применения для паровых машин на тот момент не наблюдалось (хотя в патенте Сэйвери и указывалась возможность «вращения мельниц»). В 1714 году, в столице Британской империи, Папен скончался в нужде и одиночестве. Гораздо более удачливым оказался другой англичанин — Томас Ньюкомен (Thomas Newcomen), родившийся в 1663 году. Ньюкомен внимательно ознакомился с работами и Сэйвери, и Папена, отчего смог понять слабые места прежних машин, одновременно взяв от них самое лучшее. В 1712 году вместе со стекольщиком и водопроводчиком Джоном Калли (John Calley) он строит свою первую паровую машину. В ней использовался вертикальный цилиндр с поршнем, как у машины Папена. Однако пар образовывался в отдельном паровом котле, что было схоже с принципом действия «огненной» машины Сэйвери. Герметичность внутри парового цилиндра была повышена за счет кожи, которая закреплялась вокруг поршня.

Паровая машина Ньюкомена.

Машина Ньюкомена тоже являлась пароатмосферной, т.е. подъем воды из шахты осуществлялся при воздействии атмосферного давления. Она была довольно громоздкой и «поедала» много угля. Тем не менее, практической пользы машина Ньюкомена приносила несравненно больше, отчего ее почти полстолетия применяли в шахтах. В Англии, например, она позволила вновь открыть заброшенные шахты, которые затопило грунтовыми водами. И еще один яркий пример эффективности машины Ньюкомена — в 1722 году в Кронштадте в сухом доке воду из корабля откачали в течение двух недель, в то время как с устаревшей системой откачки с помощью ветряных мельниц на это ушел бы год. Несмотря на все это, Томас Ньюкомен не получил патент на свою паровую машину из-за патента Сэйвери. Возможность применения паровой машины Ньюкомена с целью приведения в движение транспортного средства конструкторами рассматривалась, в частности, для привода гребного колеса на судне.
Однако попытки успехом не увенчались. Изобрести компактную, но мощную паровую машину довелось Джеймсу Уатту (James Watt). В 1763 году Уатту, механику университета Глазго, дали задание починить паровую машину Ньюкомена. В процессе ремонта Уатт приходит к следующей идее — цилиндр паровой машины нужно держать постоянно нагретым, что резко сократит расход топлива. Оставалось лишь понять, как в таком случае конденсировать пар.

Модель паровой машины Уатта.

Осенило Уатта, когда он совершал вечерний моцион возле прачечных. При виде облаков пара, стремящихся выбраться из-под крышек котлов, изобретатель вдруг осознал, что пар является газом, и он должен перемещаться в цилиндр с пониженным давлением. Уатт решительно берется за дело. Он применяет водяной насос и металлические трубки, из которых насос станет откачивать воду и пар, создавая в последних пониженное давление, а оно, из трубок, начнет передаваться в рабочий цилиндр паровой машины. Для рабочего хода Уатт применяет давление пара, отказываясь тем самым от атмосферного давления, что стало большим шагом вперед.
Для этой цели, чтобы пар не проходил между цилиндром и поршнем, пеньковой веревкой, пропитанной маслом, обматывали поршень вдоль специальных бороздок. Такой способ позволял добиться достаточно высокой герметичности внутри парового цилиндра. В 1769 году Уатт получил патент на «создание парового двигателя, в котором температура двигателя всегда будет равна температуре пара, несмотря на то, что пар будет охлаждаться до температуры ниже ста градусов». В 1772 году Джеймс Уатт свел знакомство с промышленником Мэтью Болтоном (Mathew Bolton). Этот богатый господин выкупил и возвратил Уатту все его патенты, которые незадачливый изобретатель вынужден был заложить за долги. При поддержке Болтона работа Уатта ускорилась. Уже в 1773-м Уатт испытывает свою паровую машину; она выполняла все ту же функцию парового насоса, но угля требовала гораздо меньше. Видя очевидные преимущества машины Уатта, Болтон открывает совместную с изобретателем компанию по производству паровых машин, и в 1774 году в Англии начинается их выпуск.
Реализация паровых машин шла настолько хорошо, что Болтон захотел построить новый прокатный цех, для чего попросил Уатта создать специальную паровую машину — для привода прокатных станков. Уатт блестяще справился с задачей, и в 1781 году запатентовал паровую машину «для осуществления движения вокруг оси с целью приведения в действие других машин». Таким образом, на свет появилась первая паровая машина не для поднятия воды со дна шахт, а для приведения в движение машин. Новая машина Уатта обладала рядом усовершенствований. Например, регулятором для равномерного вращения главного вала паровой машины, а также планетарным механизмом для создания кругового движения. Последний Уатт изобретает потому, что применить кривошипно-шатунный механизм ему не позволяет действующий патент. Но в 1784 году Уатту все же удалось добиться разрешения на использование в паровой машине кривошипно-шатунного механизма. Таким образом, созданная Уаттом первая в мире универсальная паровая машина стала приводить в движение промышленные станки, возвещая о приходе эры паровых машин.
Очень скоро пар станет двигать пароходы и поезда, благодаря чему жизнь человека в корне изменится. Огромные заслуги Джеймса Уатта не прошли незамеченными для потомков — в 1819 году приказом английского парламента в Вестминстерском аббатстве великому изобретателю поставили мраморный памятник.

Первый пароход.

Считается, что первый пароход построил американец Роберт Фултон (Robert Fulton) в 1807 году — его корабль с гребным колесом назывался «Клермонт». Поначалу Фултон пытался с помощью пара приводить в движение весла, но затем обратился к более удачной идее колеса. Первое плавание на «Клермонте» Фултон совершил один, поскольку жители окрестностей наотрез отказались сесть в «дьявольски» дымящую посудину. Зато на обратном пути к Фултону все-таки подсел один смелый человек, за что и получил от изобретателя право на пожизненный бесплатный проезд на «Клермонте». Затем рейсы судна Фултона стали обыденностью — «Клермонт» перевозил людей по реке Гудзон от Нью-Йорка до Олбани, развивая скоростью около 5 узлов (9 км/ч).
Первый винтовой пароход построил в 1838 году англичанин Френсис Смит (Francis Smith). Использование гребных винтов вместо гребных колес позволило значительно улучшить ходовые качества пароходов. На пароходах постепенно исчезают вспомогательные паруса (вспомним, что в 1819 году американский пароход «Саванна» пересек Атлантический океан по большей части с помощью парусов), а к началу ХХ века в историю уходят и сами парусные корабли.

Первый паровоз.

Первый паровоз построил британец Ричард Тревитик (Richard Trevithick). Это была повозка с паровым двигателем, двигающаяся по рельсам со скоростью 7 км/ч и перевозившая состав весом 7 тонн. В 1804 году для испытания паровоза Тревитика в Лондоне построили небольшую рельсовую дорогу. В наше время и пароходы, и паровозы уже давно стали исторической диковинкой, которую, правда, можно встретить в самых разных странах. Так, в Норвегии на озере Мьёс до сих пор функционирует самый старый колесный пароход в мире — «Скибладнер», построенный еще в 1856 году. В свою очередь, паровозы активно эксплуатируются в странах третьего мира, а это значит, что пар по-прежнему верой и правдой служит человечеству.

«Паровая телега» Кюньо.

Отдельная веха в истории пара — паровые автомобили. Первую действовавшую паровую автомашину («паровую телегу») построил француз Никола-Жозеф Кюньо (Cugot) в 1769 году. Это была очень тяжелая, весившая более тонны повозка, с управлением которой едва могли справиться два человека. Эстетически машина выглядела не слишком красиво — котел, словно горшок на ухвате, размещался впереди транспорта. «Телега» Кюньо развивала скорость около 2-4 км/ч и могла перевозить до 3 тонн груза. Эксплуатировать ее было сложно — для поддержки давления пара, которое быстро падало, приходилось каждые четверть часа останавливаться и зажигать топку. В конце концов, в очередной испытательной поездке Кюньо и кочегар (между прочим, кочегар по-французски звучит как «шоффер», откуда и произошло затем слово «шофер») потерпели аварию на крутом повороте, отчего котел взорвался, наведя шуму на весь Париж. Кюньо построил новую «телегу», но в массы она не пошла. В 1794 году ее сдали в музей. Значительный вклад в развитие паровых автомашин внес еще один француз — Леон Эммануэль Серполле (Leon Serpollet). В 1875 году он создал небольшую, но мощную автомашину на пару. Леон решил, что воде лучше нагреваться не в котле, а в разогретых трубках, где она превращается в пар очень быстро. Первой работающей машиной Серполле стал двухместный трехколесный экипаж из дерева. Поначалу полиция запрещала французу ездить даже по ночам, но в 1888 году все же сдалась и выдала официальную бумагу с разрешением на поездки. На этом Серполле не остановился. Вместо угля он начинает использовать жидкое топливо, которое подавалось на две горелки. В 1900 году он открывает фирму совместно с американцем Фрэнком Гарднером (Frank Gardner) — Gardner- Serpollet.

Гоночный паровой автомобиль Серполле.

В 1902 году Серполле создал гоночный паровой автомобиль и установил на нем в Ницце мировой рекорд скорости на суше — 120,77 км/ч. Неудивительно, что на тот момент паровые автомобили вполне удачно конкурировали с бензиновыми и электрическими собратьями. Особенно процветали первые в США, где, например, в 1900 году выпустили 1690 паровых, 1585 электрических и всего 936 бензиновых автомобилей. Паровые авто использовались в США вплоть до 30-х годов ХХ века. В первой половине XIX века также строились паровые тракторы, в частности, с гусеничным ходом. Однако коэффициент полезного действия паровых двигателей равнялся лишь 5%. По этой причине в начале ХХ века паровые двигатели на автомашинах были заменены двигателями внутреннего сгорания. С их помощью автомобили стали более экономичными, легкими и скоростными. Нельзя не упомянуть и о других, менее удачных применениях пара в конце ХIХ — начале ХХ веков. Широкое распространение пароходов, паровозов и паровых автомашин подтолкнуло изобретателей к мысли, что пар можно использовать в авиации и в армии.

Паровой аэроплан Хенсона.

Увы, пар в этих областях пригодится не смог. Хотя уже к середине ХIХ века насчитывалось несколько попыток создания аэропланов с паровым двигателем. Англичанин Уильям Хенсон (William Henson) построил аппарат «Эриел Стим Кэрридж», обладавший паровым двигателем мощностью 25-30 л.с., который приводил в действие воздушные винты диаметром 3,05 м. Чтобы уменьшить вес машины, обычный котел был заменен системой сосудов конической формы с использованием воздушного конденсатора. В 1844-1847 годах Хенсон безуспешно испытывал свои аэропланы. Все они закончились неудачно. Но уже в 1848 году Джон Стрингфеллоу (John Stringfellow) все-таки построил аэроплан, который оторвался от земли, хотя и не надолго. Апофеозом «паромании» в авиастроении стал аэроплан Хайрема Стивенса Максима (Hayrem Stivens Maxim), который обладал паровой машиной мощностью в 360 л.с., а размерами мог сравниться с двухэтажным домом. Неудивительно, что аэроплан Максима рухнул в одночасье, как и все мечты человека покорить воздух с помощью пара. Хотя, отметим, что в 1896 году американец Сэмюэл Пирпонт Ленгли (Samuel Pierpont Langley) все-таки построил аэроплан с паровым двигателем, который без пилота пролетел примерно километр, пока не израсходовал топливо. Свое творение Ленгли назвал «аэродромом» (в переводе с древнегреческого — «бегущий в воздухе»). Однако к началу ХХ века всем было понятно, что громоздкие паровые двигатели не годятся для воздухоплавания, тем более, что к этому времени на аэропланах отлично себя зарекомендовали бензиновые двигатели — 17 декабря 1903 года в небе появился знаменитый самолет братьев Райт, снабженный бензиновым двигателем. Не лучше обстояли дела с паром в армии. А ведь еще сам Леонардо да Винчи (Leonardo da Vinci) описал пушку, выстреливающую снарядами силой только огня и воды. Великий флорентиец предположил, что длинный медный ствол с ядром, положенный в печь одним концом, сможет выбросить снаряд, если в отсек за ядром впрыснуть немного воды, когда труба сильно разогреется. Леонардо полагал, что вода при такой высокой температуре испарится очень быстро и, став аналогом пороха, вытолкнет ядро на огромной скорости. Стоит отметить, что идея паровой пушки приписывается Архимеду. В рукописях древних упоминается о том, что во время осады Сиракуз в 212 году до нашей эры римские корабли обстреляли из пушек. Но ведь пороха тогда в Европе не было! И Леонардо да Винчи предположил наличие у Архимеда, чьи устройства обороняли Сиракузы, паровых пушек.

Паровая пушка (реконструкция).

Проверить эту идею да Винчи решил греческий инженер Иоанис Саккас (Ionis Sakkas). Он построил деревянную пушку, к тыльной части которой закреплялся котел, нагреваемый до 400°С. Как и предлагал Леонардо да Винчи, в специальный клапан подавалась вода, которая, испаряясь мгновенно, врывалась паром в дуло, отчего бетонное ядро в опытах Саккаса улетало на расстояние 30-40 м. Проверить «быль» о пушках Архимеда брались также студенты университета MIT и участники телесериала «Разрушители легенд», правда, без успеха, подобного достижению Саккаса. В XIX веке к пару вновь вернулись, но создать реально боеспособное оружие (пушку либо пулемет) не удалось. В 1826-1829 годах российский инженер-полковник корпуса путей сообщения А. Карелин изготовил медную 7-линейную (17,5 мм) опытную паровую пушку. Стрельба велась шаровыми пулями при помощи водяного пара, скорострельность достигала 50 выстрелов в минуту. Но испытания, проведенные в 1829-м, не впечатлили «приемную комиссию», которая сочла пушку излишне сложной для использования в полевых условиях.

Модель паровой пушки Карелина.

В завершение данной статьи нельзя не упомянуть о стимпанке (англ. «steampunk», от «steam» — «пар» и «punk» — «протест»). Это направление научной фантастики описывает эпоху пара времен Викторианской Англии (вторая половина XIX века) и раннего капитализма (начало ХХ века). Соответственно описываются городские пейзажи, персонажи, общественные настроения и т.д. Сам термин появился в 1987 году. Популярность жанр стимпанк приобрел после появления романа «Разностная машина» Уильяма Гибсона и Брюса Стерлинга (1990). Предтечами стимпанка можно назвать Жюля Верна и Григория Адамова. В последние годы появилось много кинофильмов в стиле стимпанк, самые известные из них — «Дикий, Дикий Запад» (1999), «Машина времени» (2002), «Лига выдающихся джентльменов» (2003) и «Ван Хельсинг» (2004). К стимпанку хронологически примыкает дизельпанк — жанр, описывающий технологический мир 20-50-х годов XX века, весьма близкий, надо отметить, к техномиру начала ХХ века.

Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Семь фактов о создателе универсальной паровой машины Джеймсе Уатте

19 января 1736 года — день рождения шотландского изобретателя Джеймса Уатта, который изобрел универсальную паровую машину двойного действия. Шотландец, именем которого назвали единицу измерения мощности, в буквальном смысле, изменил мир. Его работы положили начало промышленной революции в Англии, а затем уже и во всем мире.

«РГ» собрала интересные факты о знаменитом изобретателе.

1. История паровых машин берет свое начало задолго до изобретения Уатта. На самом деле, он усовершенствовал разработку англичанина Томаса Ньюкомена. Созданную им в 1712 году паровую машину в течение полувека использовали для откачки воды в шахтах, на судоремонтных предприятиях. Однако эта конструкция была очень громоздкой, требовала постоянного пополнения запасов угля, для чего порой задействовали до 50 лошадей. Управление машиной осуществлялось вручную — для этого нанимали специального человека, который с определенной периодичностью открывал и закрывал клапаны.

В 1763 году Джеймсу Уатту, который тогда был механиком университета Глазго, поручили починить действующий макет паровой машины Ньюкомена. В процессе изобретатель понял, что цилиндр конструкции нужно держать постоянно нагретым — это сильно сократило бы расход топлива. Рассказывают, что, Уатта осенило, когда он прогуливался вдоль прачечных и увидел облака пара, которые стремились вырваться из-под крышек котлов с бельем. Изобретатель сделал так, что цилиндр постоянно оставался горячим: для этого пар, до конденсации, отводился в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. Благодаря применению теплоизоляционного материала, конденсор оставался холодным. Таким образом, пароатмосферная машина превратилась в паровую.

2. Патент на свое изобретение — «создание парового двигателя, в котором температура двигателя всегда будет равна температуре пара, несмотря на то, что пар будет охлаждаться до температуры ниже ста градусов» — Уатт получил в 1769 году. Но паровую машину новой конструкции он создал только спустя семь лет: у изобретателя было плохо с деньгами, и он не имел возможности воплотить в жизнь свою идею.

В 1772 году он познакомился с богатым промышленником Мэтью Болтоном, который помог ему избавиться от долгов и финансово поддержал в работе. Спустя год Уатт испытал свою паровую машину, которая выполняла функцию насоса, однако требовала намного меньше угля. Болтон и Уатт открыли компанию по производству паровых машин, выпуск которых начался в 1774 году. Для того, чтобы построить новый прокатный цех, промышленник попросил изобретателя создать специальную паровую машину — для привода прокатных станков.

3. В 1781 году Уатт запатентовал изобретение, которое сделало его знаменитым — паровую машину «для осуществления движения вокруг оси с целью приведения в действие других машин». По сути, она могла использоваться не только в качестве насоса, как изобретение Ньюкомена, а для любой работы.

Паровая машина двойного действия Уатта работала следующим образом. В крышке цилиндра имелся сальник, который обеспечивал свободное движение поршня. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Поэтому и рабочий, и обратный ход совершались при помощи помощью пара. Возвратно-поступательное движение поршня преобразовывалось во вращение маховика при помощи планетарного механизма (системы, состоящей из нескольких зубчатых колес, вращающихся вокруг центральной — солнечной — шестерни).

В 1784 году Уатт модернизировал свою машину, которую назвали «универсальной». Она появилась на фабриках и заводах, с ее помощью приводили в движение прядильные и ткацкие станки и другие механизмы. А в начале XIX века двигатели системы Уатта установили на первые паровоз и пароход. Жизнь человека изменилась в корне.

4. Уатту и Болтону пришлось бороться с многочисленными некачественными подделками паровой машины. В то время каждый, кто имел хоть какое-то представление о подобной конструкции, пытался сделать ее самостоятельно, чтобы заработать на волне популярности. Зачастую подделки были опасны в эксплуатации: это портило имидж производителей. Они выиграли тысячи судебных разбирательств.

5. Российская академия наук предложила Уатту, при условии переезда, занятие, «сообразное с его вкусом и познаниями» и приличным ежегодным жалованьем в 1000 фунтов стерлингов. Узнав об этом, поэт Эразм Дарвин умолял изобретателя не ездить: «Я надеюсь, что Ваша огненная машина оставит Вас здесь». В Россию Уатт так и не поехал.

6. Изначально, для того, чтобы продвинуть на рынке свою паровую машину, Уатту понадобилось наглядно представить ее преимущества. Изобретатель рассчитал, какой груз, в среднем, в минуту поднимает обычная лошадь, приводя в действие водяной насос. Эту единицу мощности он обозначил как «лошадиную силу». Таким образом, Уатт наглядно показал, во сколько раз паровая машина эффективнее лошади.

7. В 1882 году Британская ассоциация инженеров решила, впервые в истории техники, присвоить имя собственное единице измерения и, таким образом, увековечить Джеймса Уатта. С тех пор мощность в Международной системе единиц измеряется в ваттах.

эолипил Герона – одна из величайших забытых паровых машин в истории

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

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

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

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

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

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

Wikipedia

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

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

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

Кем был человек, стоящий за машинами

Wikipedia

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

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

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

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

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

Вот еще несколько удивительных изобретений Герона:

 

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

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

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

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

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

Эолипил — паровая турбина

 1Gai.Ru / STAFF

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

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

wikipedia.org

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

Youtube

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Это только начало

Джеймс Уатт в молодости со своим ранним паровым двигателем.

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

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

Предполагается, что изобретение де Гарая, состоящее из медного котла, приводившего в движение вращающиеся колеса с обеих сторон корабля, было эолипилом. Его предлагалось сочетать с размещением гребных колес на бортах лодки – практика, используемая с римского периода.

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

Хронология развития паровых двигателей

 Wikipedia

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Краткая история развития паровых двигателей в истории мира

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

Wikipedia

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

1679 год: паровой котел Дени Папина

 GETTY IMAGES

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

1689 год: Паровой насос Томаса Севери

Wikipedia

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

1711 год: паровая машина Томаса Ньюкомена

 UNIVERSAL HISTORY ARCHIVE

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

1765 год: паровая машина Джеймса Уатта

 UNIVERSALIMAGESGROUP

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

1769 год: паровая тележка Николы Жозефа Кюньо

 GETTY IMAGES

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

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

 GETTY IMAGES

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

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

 GETTY IMAGES

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

1819 год: гибридный корабль «Саванна»

 Wikipedia

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

1829 год: паровой локомотив Rocket братьев Джорджа и Роберта Стефенсонов

 GETTY IMAGES

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

1867 год: паровой котел «Бэбкок энд Уилкокс»

 GETTY IMAGES

Джордж Бэбкок и Стивен Уилкокс изобрели водотрубный паровой котел. 

1884-1897 года: паротурбинные генераторы Чарлза Парсонса

 GETTY IMAGES

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

1911 год: геотермальный двигатель-генератор Джинори Конти

 ENEL GREEN POWER

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

1954 год: Обнинская АЭС

 GETTY IMAGES

Первая в мире атомная электростанция, в которой для производства пара используется вода, скипяченная в результате контролируемых цепных ядерных реакций. Она была построена в России во времена Советского Союза . Атомная станция предназначалась для питания электрической сети. Этот метод паровой энергии используется до сих пор.

Обложка: 1Gai.Ru

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

 

Смотрите также Смотрите также

Первая паровая машина. Джеймс Уатт

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

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

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

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

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

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

Паровая машина, сделанная по проекту Джеймса Уатта

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Поделиться ссылкой:

Паровые двигатели и их применение :: Класс!ная физика

Считается, что идея использования силы пара для превращения ее в энергию движения принадлежит Герону Александрийскому, жившему в 1 веке нашей эры и создавшему эолипил — «шар Эола».

Это был металлический шар, вращающийся под давлением пара. К сожалению движущая сила нагретого воздуха и водяного пара использовалась здесь только лишь для демонстрации забавной игрушки. Герон часто использовал энергию пара в своих изобретениях: для реализации раздвижных автоматических дверей в храмах, двигающих руками статуй богов и так далее. Он оставил много чертежей, по которым можно собрать реально действующие механизмы. Его изобретения, опередившие свое время, смогли по достоинству оценить лишь в средневековье.

Интересно, что  в середине XVIII столетия эолипил «переизобрел» венгерский ученый Янош Сегнер, от которого оно и получило свое имя «сегнерово колесо». Понятно, что такое колесо вращается под действием реактивной силы потока пара, выбрасываемого из загнутых трубок-сопел.

Средневековая Европа стала собирать и осваивать технические изобретения и новинки со всех стран: Индии, Китая, Византии. XVIII век считается веком покорения пара. Результаты опытов с атмосферным давлением Торричелли и Отто Герике натолкнули ученых на мысль, что силу атмосферного давления можно использовать для производства механической работы.

Паровая машина Дени Папена.

Дени Папен был ассистентом у Гюйгенса, а с 1688 г. профессором математики в Марбургском университете. У него возникла идея использовать для атмосферного двигателя форму полого цилиндра с движущимся в нем поршнем . Перед Папеном стояла задача заставить поршень совершать работу силой атмосферного давления. В 1690 г. был создан принципиально новый проект парового двигателя.

Вода в цилиндре при нагревании превращалась в пар и двигала поршень вверх. Через специальный клапан пар выталкивал воздух, а при конденсации пара создавалось разреженное пространство; наружное давление двигало поршень вниз. Опускаясь, поршень тянул за собой веревку с грузом.
Папен ставил цилиндр машины вертикально потому, что цилиндр-клапан не может в ином положении выполнять свою функцию. Двигатель Папена полезную работу выполнял плохо, так как не мог осуществить непрерывное действие. Чтобы заставить поршень поднимать груз, необходимо было манипулировать стержнем-клапаном и стопором, перемещать источник пламени и охлаждать цилиндр водой. Долгое время Папен продолжал трудиться над усовершенствованием своего изобретения..

Уже в 1707 г. он предложил новый, усложненный вариант парового двигателя.

Паровая машина Томаса Севери.

Совершенствование пароатмосферных машин продолжил Томас Севери. В 1698 году Томас Севери изобрел паровой насос для откачки воды из шахт. Его «друг рудокопов» работал без поршня. Всасывание воды происходило путем конденсации пара и создания разреженного пространства над уровнем воды в сосуде. Севери отделил котел от сосуда, где производилась конденсация. Эта паровая машина обладала низкой экономичностью, но все-таки нашла широкое применение.
Впервые паровая машина Севери начала работать в России. Она была заказана в Англии для Петра Первого. Машина поднимала воду на высоту 3 м от поверхности земли.Производительность ее была 3 бочки в минуту. Эта машина Севери качала воду из Фонтанки для фонтанов в Летнем саду в Санкт-Петербурге.

Паровая машина Т. Ньюкомена.

В 1705 году механик Томас Ньюкомен получил патент на изобретенную им тепловую машину.. Паровой насос Ньюкомена начали использовать в Англии для откачки воды из шахт.. Главной деталью его был поршень, уравновешенный грузом и двигавшийся в большом вертикальном цилиндре (2). Давление пара, подаваемого в цилиндр из котла (1), поднимало поршень. Впрыскивание холодной воды из резервуара (5) осаждало пар и создавало в цилиндре вакуум. Атмосферное давление опускало поршень вниз. Охлаждающая вода и сконденсированный пар выпускались из цилиндра по трубе (6), а излишний пар из котла — через предохранительный клапан (7).

После этого двигатель вновь был готов к следующему впрыскиванию пара. Основной недостаток машины Ньюкомена состоял в том, что рабочий цилиндр в ней являлся в то же время и конденсатором. Из-за этого приходилось поочередно то охлаждать, то нагревать цилиндр, и расход топлива оказывался очень велик.

Последующие изобретатели внесли много усовершенствований в насос Ньюкомена. Но принципиальная схема машины Ньюкомена оставалась неизменна на протяжении 50 лет.

Паровой двигатель Джеймса Уатта.

В 1765 году английский механик Джеймс Уатт создает паровой двигатель. В 1763-1764 годах ему пришлось чинить принадлежавший университету образец машины Ньюкомена. Уатт изготовил небольшую ее модель и принялся изучать ее действие. Уатту сразу стало ясно, что для более экономичной работы двигателя целесообразнее держать цилиндр постоянно нагретым. В 1768 году на основе этой модели на шахте горнозаводчика Ребука была построена большая машина Уатта, на изобретение которой он получил в 1769 году свой первый патент. Самым принципиальным и важным в его изобретении было разделение парового цилиндра и конденсатора, благодаря чему не затрачивалась энергия на постоянный разогрев цилиндра. Машина стала более экономичной. Ее КПД увеличился.

С 1776 года началось фабричное производство паровых машин. В машину 1776 года по сравнению с конструкцией 1765 года было внесено несколько принципиальных улучшений. Поршень помещался внутри цилиндра, окруженный паровым кожухом. Кожух сверху был закрыт, а цилиндр — открыт. Пар поступал в цилиндр из котла по боковой трубе. Цилиндр соединялся с конденсатором трубой, снабженной паровыпускным клапаном. Выше этого клапана был размещен еще один уравновешивающий клапан.

Однако машина совершала только одно рабочее движение, работала рывками и потому могла использоваться только как насос. Чтобы паровая машина могла приводить в действие другие машины, необходимо было, чтобы она создавала равномерное круговое движение. Такой двигатель двойного действия был разработан Уаттом в 1782 году. Огромных усилий потребовало от Уатта создание механизма передающего движение от поршня к валу, но Уатт добился и этого, создав особое передающее устройство, которое так и называется параллелограммом Уатта. Теперь новый двигатель Уатта годился для привода других рабочих машин. За 1785-1795 годы было выпущено 144 таких паровых двигателей, а к 1800 году в Англии работала уже 321 паровая машина Уатта.

Для измерения мощности паровых машинУатт ввел понятие «лошадиная сила», которая в качестве общепринятой единицы мощности используется и по настоящее время. Одну из машин Уатта купил пивовар, чтобы заменить ею лошадь, которая приводила в действие водяной насос. При выборе необходимой мощности паровой машины пивовар определил рабочую силу лошади как восьмичасовую безостановочную работу до полного изнеможения лошади. Расчет показал, что каждую секунду лошадь поднимала 75 кг воды на высоту 1 метр, что и было принято за единицу мощности в 1 лошадиную силу.

Паровые двигатели применяли во всех отраслях производства. Они широко использовались в промышленности, на транспорте и стали в свое время «двигателями технического прогресса».

Однако коэффициент полезного действия самых лучших паровых двигателей не превышал 5%! Из каждых 1000 кг топлива на полезную работу тратилось всего лишь 50 кг!

К концу 19 века схема паросиловой установки была значительно усовершенствована, и ее основные принципы сохранились до нашего времени.
___

Интересно, что в 1735 году в здании английского парламента был установлен первый в систории вентилятор, который приводился в движение паровым двигателем.
___

В 1800 году некий американец, владелец шахты по добыче каменного угля придумал первый паровой лифт. В 1835 году этот паровой лифт вошёл в обиход фабричного грузоподъемного дела в Англии, а потом получил распространение в США.
А в 1850-х годах «Компания паровых подъёмников Отиса» установила свой первый пассажирский лифт в пятиэтажном магазине на Бродвее. Лифт брал до пяти человек и вез их со скоростью 20 см в секунду.


Другие страницы по теме « Паровые двигатели »


Паровые двигатели
Паровой двигатель И. Ползунова
Паровые автомобили
Паровые самолеты
Пароходы
Паровозы
Боевая паровая техника
Паровая турбина
Паровые велосипеды
Паровые роботы
Мастер паропанка
Паровые игрушки
Паровоз Черепановых

Первые регуляторы паровых машин — Control Engineering Russia

Александр Микеров,
д. т. н., проф. каф.
систем автоматического управления
СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

В предыдущей статье [1] рассматривались редкие примеры известных регуляторов с обратной связью от древних веков до XVIII в. : водяные часы, регуляторы температуры и давления, механизм разворота ветряного колеса мельниц. Однако широкого применения подобные регуляторы не нашли из-за своей сложности и дешевизны ручного труда человека, который легко справлялся с такими задачами управления. И только с началом промышленной революции потребовались регуляторы совсем другого рода — регуляторы скорости машин.

Рис. 1. Джеймс Уатт (1736–1819)

Промышленная революция в европейских странах началась в XVIII веке с широкого применения паровых машин для откачки воды из шахт, плавки металлов, приведения в движение станков и механизмов на заводах. Особенно много машин потребовалось в XIX в. на транспорте после изобретения Робертом Фултоном (Robert Fulton) парохода в 1808 г. и Джорджем Стефенсоном (George Stephenson) паровоза в 1825 г. Французский изобретатель Клемент Адер (Cl?ment Ader) построил в 1890 г. даже самолет с паровым двигателем.

Первым попытался использовать энергию пара для механического движения еще французский физик и изобретатель Дени Папен (Denis Papin), построивший в 1690 г. паровой цилиндр с поршнем, который был усовершенствован в 1705 г. кузнецом Томасом Ньюкаменом (Thomas Newcomen). Однако обе машины управлялись вручную, были крайне неэффективны и широкого распространения не получили. Паровую машину с автоматическим впуском и выпуском пара с помощью золотника построил английский механик, изобретатель и предприниматель Джеймс Уатт (James Watt) (рис. 1), получивший на нее первый патент в 1769 г. [2, 3].

Кроме того, паровые машины оснащались другими автоматическими устройствами: клапаном Папена, рассмотренным в предыдущей статье [1], и регулятором уровня воды в паровом котле. На рис. 2 показан поплавковый регулятор первой в России паровой машины, построенной изобретателем Иваном Ползуновым на Урале в 1765 г. [5]. Паровой котел 1, вмурованный в кладку 2 с топкой 3, имел водяную трубу 4 и патрубок 5, отводящий пар. Уровень воды регулировался поплавком 6.

Рис. 2. Паровой котел Ползунова (1 — паровой котел; 2 — кладка; 3 — топка; 4 — водяная труба; 5 — патрубок, отводящий пар; 6 — поплавок)

Однако паровая машина стала вполне работоспособной и популярной только после того, как Уатт ввел в нее в 1788 г. центробежный регулятор скорости, устранивший нестабильную работу машины [4]. Уже к 1800 г. в Англии работали сотни машин Уатта (рис. 3). Центробежный регулятор паровой машины был настолько важной ее составной частью, что Уатт хранил его устройство в глубоком секрете и не патентовал.

Рис. 3. Паровая машина с регулятором Уатта (1 — паровой цилиндр; 2 — золотниковый распределитель; 3 — заслонка подачи пара; 4 — центробежный чувствительный элемент)

Центробежный чувствительный элемент, являющийся измерителем скорости машины, был заимствован Уаттом из водяных и ветряных мельниц, где он использовался для изменения усилия прижима жерновов при изменении скорости ветра. Его устройство было запатентовано механиком Томасом Мидом (Thomas Mead) в 1787 г. [5, 6].

Рис. 4. Центробежный чувствительный элемент Уатта (1 — шкив; 2 — шары; 3 — ползун; 4 — рычаг)

Центробежный чувствительный элемент Уатта (рис. 4), приводимый во вращение от вала машины через шкив 1, содержит два массивных шара 2, соединенных с ползуном 3, связанным рычагом 4 с заслонкой паровой машины [7]. Центробежная сила, возникающая при вращении шаров, уравновешивается их весом таким образом, что каждому значению скорости соответствует определенное положение ползуна, а следовательно, и расхода или давления пара в цилиндре. В дальнейшем для улучшения регулировки такой элемент оснащался пружиной, компенсирующей вес шаров.

При увеличении момента нагрузки скорость машины слегка падает, поскольку для увеличения давления пара заслонка должна быть приоткрыта, что достигается движением ползуна вниз, т. е. опусканием грузов. Возникающая при этом ошибка регулирования скорости была названа неравномерностью регулятора, а все регуляторы такого типа назывались модераторами, т. е. устройствами, которые не устраняют ошибку регулирования, а только ее снижают. Современное название ошибки — статическая ошибка, а регулятора — статический регулятор.

Второй особенностью регулятора Уатта является прямое механическое действие чувствительного элемента на заслонку. Аналогично работал и рассмотренный в предыдущей статье [1] регулятор температуры Дреббеля, в котором энергия открывания вентиляции вырабатывалась спиртовым чувствительным элементом. Поэтому все регуляторы такого рода назывались регуляторами прямого действия.

Помимо коммерческого успеха, регулятор принес его автору и заслуженное признание. В его честь единица мощности в системе SI названа 1 Вт. Уатт был приглашен в Российскую академию наук, правда, от этой чести отказался. Центробежный регулятор скорости позднее нашел широкое применение также в телеграфных аппаратах, телескопах, граммофонах и т. д. [6].

В XIX в. изобретатели предложили ряд усовершенствованных центробежных регуляторов скорости. Так, английский математик и астроном Джордж Эри (Georg B. Airy) построил в 1840 г. телескоп с автоматическим приводом по азимуту и углу места с центробежным фрикционным регулятором, обеспечивающим равномерный поворот со скоростью вращения Земли [7].

На рис. 5а показан общий вид этого телескопа, а на рис. 5б — в упрощенном виде принцип действия регулятора привода без редукторов. Труба телескопа 1 поворачивается через блок механических редукторов 2 двигателем в виде барабана с грузом 3, снабженным фрикционным регулятором с расходящимися шарами 4, трущимися о поверхность неподвижной муфты 5 в случае, когда скорость вращения телескопа превышает заданную.

Рис. 5. а) Телескоп Эри; б) Фрикционный регулятор Эри. 1 — труба телескопа; 2— блок механических редукторов; 3 — двигатель; в виде барабана с грузом; 4 — фрикционный регулятор с расходящимися шарами; 5 — муфта

В данном регуляторе увеличение момента трения в опорах телескопа компенсируется уменьшением трения в регуляторе, однако это возможно лишь при некотором снижении скорости вращения, т. е. появлении статической ошибки регулирования.

Рис. 6. Регулятор Дженкина (1 — заслонка; 2 — груз; 3 — муфта; 4 — подпружиненные шары; 5 — вал; 6 — катаракт)

Более совершенным является регулятор паровой машины английского инженера Флиминга Дженкина (Fleeming Jenkin), построенный в середине XIX в. (рис. 6) [7].

В этом случае заслонка 1, регулирующая подачу пара в машину, поворачивается двумя устройствами: грузом 2, аналогичным двигателю Эри, и муфтой 3 фрикционного регулятора с подпружиненными шарами 4, приводимого во вращение от вала машины 5. В отличие от регулятора Эри, муфта 3 подвижная. Она прикрывает заслонку 1 тогда, когда шары вовлекают муфту во вращение.

Таким образом, когда скорость машины больше заданной, шары закрывают заслонку, а когда меньше, заслонка открывается грузом. При этом регулятор не имеет статической ошибки, поскольку, например, при увеличении нагрузки на машину и падении ее скорости груз приоткрывает заслонку до тех пор, пока скорость машины не вернется к заданному значению.

Регулятор Дженкина снабжен, как это видно на рис. 6, еще одним весьма важным регулирующим элементом 6, называемым катарактом, в виде цилиндра с маслом, в котором движется груз. Катаракт был применен впервые в регуляторе Эри [7]. Было обнаружено, что введение такого элемента, который со временем стал весьма популярным, существенно улучшает плавность и точность регулирования скорости. По современной терминологии катаракт — это устройство, формирующее отрицательную обратную связь по скорости, называемую тахометрической обратной связью, являющуюся мощным средством динамической коррекции систем автоматического управления.

Другие примеры успешных регуляторов, изобретенных в XIX в., приведены в обзоре [4].

Рис. 7. Регулятор непрямого действия (1 — заслонка; 2 — серводвигатель; 3 — золотниковый распределитель; 4 — центробежный регулятор с пружиной)

Все рассмотренные выше регуляторы являются регуляторами прямого действия, поскольку чувствительный элемент оказывает прямое силовое воздействие на заслонку или объект управления. Однако это возможно лишь в регулировании объектов малой мощности. Действительно, повернуть, например, затворы большой гидротурбины с помощью центробежного регулятора вряд ли удастся.

Французский инженер Джозеф Фарко (Joseph Farcot) предложил в 1873 г. ввести в регулятор дополнительный исполнительный элемент, названный им серводвигателем или сервомотором, усиливающим мощность чувствительного элемента [7, 8]. Такие регуляторы стали называть регуляторами непрямого действия. Пример такого регулятора приведен на рис. 7. В данном случае заслонка 1 двигается дополнительным паровым цилиндром – серводвигателем 2, золотниковый распределитель 3 которого управляется центробежным регулятором 4 с пружиной.

Нетрудно убедиться в том, что введение серводвигателя не только увеличивает выходную мощность чувствительного элемента, но и обеспечивает, в принципе, нулевую ошибку регулирования скорости, на которую настроен чувствительный элемент. Действительно, заслонка не движется только тогда, когда золотник перекрывает впускные каналы цилиндра. Регулятор настраивается таким образом, чтобы этому положению золотника соответствовала заданная скорость вращения шаров.

Рис. 8. Регулятор Чиколева (1 — электроды; 2 — обмотка якоря; 3 и 4 — обмотки возбуждения)

При увеличении момента нагрузки скорость машины падает, золотник смещается вверх и сервомотор поднимает заслонку до нового положения, при котором скорость машины будет в точности равна заданной. По современной терминологии применение серводвигателя в регуляторе непрямого действия означает введение интегратора, превращающего статическую систему в астатическую.

Все рассмотренные регуляторы с обратной связью используют принцип регулирования по отклонению или по ошибке. Современная терминология относит их к П- или ПИ-регуляторам. Однако в XIX в. появились и другие устройства: с регулированием по возмущению и с регулированием по производной от ошибки. Регулирование по возмущению или по нагрузке (принцип инвариантности Понселе) было предложено в 1830 г. французским математиком и инженером Жаном-Виктором Понселе (Jean-Victor Poncelet), а регулирование по производной выполнял так называемый инерционный регулятор, изобретенный в 1845 г. братьями Вернером и Вильгельмом Сименсами (Verner, Wilhelm Siemens) в Германии [4, 7].

Принципы построения и конструкции различных регуляторов детально анализировались в лекциях 1846 г. знаменитого профессора Петербургских железнодорожного и технологического институтов Николая Федоровича Ястржембского [8].

К концу XIX в. стали появляться и первые электромеханические регуляторы. Примером может служить дифференциальный регулятор дуговых ламп для освещения московских площадей, построенный известным российским электротехником Владимиром Николаевичем Чиколевым в 1874 г. Схема регулятора, заимствованная из [9], показана на рис. 8, где штриховыми линиями обозначены соединительные провода.

Электроды 1 дуговой лампы сближаются через винтовую передачу электродвигателем постоянного тока с обмоткой якоря 2 и двумя обмотками возбуждения 3 и 4, причем обмотка 3 подключается прямо к источнику питания, а обмотки 2 и 4 соединяются с нижним электродом. Обмотки 3 и 4 создают потоки возбуждения двигателя противоположных знаков, причем их действие уравновешивается при нормальном зазоре между электродами. При увеличении зазора его сопротивление растет, а ток падает, что приводит к преобладающему действию обмотки 4 и вращению двигателя в сторону сближения электродов. При чрезмерном сближении электродов будет преобладать действие обмотки 3, обеспечивающей вращение двигателя в противоположную сторону и увеличение зазора.

* * *

Таким образом, новый этап развития систем автоматики, начавшийся с изобретения и внедрения паровой машины, отличался следующими основными особенностями:

  • Паровая машина потребовала ряда автоматических устройств, таких как клапан давления, регулятор уровня, золотниковый парораспределитель и регулятор скорости вращения, что поставило перед изобретателями первые серьезные задачи автоматического управления.
  • Наибольшее распространение получили центробежные регуляторы скорости прямого действия, в которых чувствительный элемент обладал непосредственным воздействием на заслонку (регулятор Уатта) либо создавал переменный нагрузочный момент трения (регулятор Эри).
  • Эти регуляторы имели пропорциональный (П) закон регулирования, вызывающий статическую ошибку, устраняемую в регуляторе Дженкина механическим интегратором, обеспечивающим пропорционально-интегральный (ПИ) закон регулирования.
  • До середины XIX в. были предложены и другие законы регулирования: по возмущению (принцип Понселе) и по производной от ошибки (регулятор Сименсов).
  • В регуляторах непрямого действия, первый из которых был создан Фарко, чувствительный элемент управлял дополнительным сервомотором заслонки, что не только повышало мощность регулятора, но и обеспечивало астатизм регулирования скорости.
  • Появились регуляторы и других машин, например фрикционный регулятор вращения телескопа Эри, электромеханический регулятор дуговой лампы Чиколева и др.

Ко второй половине XIX в. было известно уже большое число различных достаточно сложных конструкций регуляторов, заложивших основы создания замкнутых систем автоматического управления в современном понимании этого термина. Однако отсутствовали не только методики расчета, выбора параметров и настройки, но и теоретическое понимание происходящих в них процессов регулирования.

Как будет показано в следующей статье, широкое внедрение паровых и других машин, а также повышение точности и быстродействия их регулирования выявило проблему устойчивости регулятора, вызванную противоречием между требованиями точности и устойчивости работы машины, а также наличием в ней нелинейных элементов.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

Литература
  1. Микеров А. Г. Автоматические устройства от Древнего мира до начала промышленной революции // Control Engineering Россия. 2014. № 3.
  2. Lewis F.L. History of feedback control.
  3. Introduction to control Systems (from R. H. Bishop, R. C. Dorf. Modern Control Systems. Prentice Hall, 2010). 
  4. Bennet Stuart. A brief history of automatic control.
  5. Bissell C.C. History of Automatic Control.
  6. Dennis S. Bernstein. Feedback Control: an invisible thread in the History of Technology. IEEE // Control Systems Magazine. April 2002.
  7. Максвелл Д. К., Вышнеградский И. А., Стодола А. Теория автоматического регулирования (линеаризованные задачи). М.: Изд-во АН СССР. 1949.
  8. Храмой А. В. Очерк развития автоматического регулирования в СССР // Основы автоматического регулирования. М.: Матгиз. 1954.
  9. Шателен М. А. Русские электротехники второй половины XIX века. Л.–М.: Госэнергоиздат. 1949.

История паровых машин

Первые наработки.

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

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

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

Применение паровых машин на практике.

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

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

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

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

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

Успехи компании Panhard et Levassor в использовании бензина привели, однако, к тому, что и De Dion перешел на двигатели внутреннего сгорания. Когда братья Болле стали управлять компанией своего отца, они сделали то же самое. Затем и компания Chevrolet перестроила свое производство. Автомобили с паровыми двигателями все быстрее и быстрее исчезали с горизонта, хотя в США они использовались еще до 1930 года. На этом самом моменте и прекратилось производство и изобретение паровых машин

 

Кто изобрел паровой двигатель?

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

Паровая машина, возможно, самое важное событие промышленной революции, способствовала значительным достижениям в области горнодобывающей промышленности, производства, сельского хозяйства и транспорта. И хотя несколько выдающихся деятелей XVIII и XIX веков приписывают разработку и совершенствование парового двигателя, история паровых машин на самом деле восходит к почти 2000 годам до промышленной революции.

Древние паровые турбины

В начале первого века нашей эры греческий изобретатель по имени Герой Александрийский сконструировал первую в мире эолипильную или примитивную паровую турбину. Эолипил Герона состоял из полой сферы, закрепленной на паре трубок. Нагретые снизу огнем трубы транспортируют пар к сфере, где он выпускается через другую серию трубок, выступающих из экватора сферы. Это движение пара через устройство заставляло сферу вращаться, демонстрируя возможность использования пара в качестве двигателя.

Хотя эолипил Hero был создан как новинка, а не как средство ускорения производства, тем не менее, это первое известное устройство для преобразования пара во вращательное движение. Но только в 17 веке были предприняты попытки использовать силу эолипила Герона для практических целей.

В первом веке нашей эры Герой Александрии изобрел эолипил, или примитивную паровую турбину. (Изображение предоставлено: общественное достояние.)

Steam: идеальное решение

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

Считается, что испанский горнодобывающий администратор по имени Херонимо де Аянц был первым, кто решил проблему затопленных шахт. В 1606 году де Аянц зарегистрировал первый патент на машину, которая использовала энергию пара для вытеснения воды из шахт. Испанский изобретатель, которому также приписывают изобретение одной из первых в мире систем кондиционирования воздуха, использовал свой паровой двигатель для удаления воды из серебряных рудников на Гуадалканале, Севилья.

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

Используя два паровых котла, Savery разработал почти непрерывную систему откачки воды из шахт. Но, несмотря на ранний успех системы Савери, вскоре было обнаружено, что его двигатель способен забирать воду только с небольшой глубины — проблема, которую необходимо было преодолеть, если паровые двигатели должны были работать в глубоких шахтах.

К счастью для европейских владельцев шахт, в 1711 году другой англичанин, Томас Ньюкомен, разработал лучший способ откачки воды из шахт. Его система использовала модернизированный паровой двигатель, который устранил необходимость в накопленном давлении пара — недостаток в системе Савери, который приводил ко множеству неудачных взрывов.«Атмосферный» двигатель Ньюкомена — названный так потому, что уровень давления пара, который он использовал, приближался к атмосферному, — был первой коммерчески успешной машиной, которая использовала пар для работы водяного насоса.

Несмотря на то, что это усовершенствование первоначального рендеринга парового двигателя Savery, атмосферный двигатель Ньюкомена также имел свои недостатки. Эта машина была крайне неэффективной, требуя постоянного потока холодной воды для охлаждения исключительно важного парового цилиндра (части двигателя, в которой давление пара преобразуется в движение), а также постоянного источника энергии для повторного нагрева цилиндра.

Несмотря на этот серьезный недостаток, конструкция двигателя Ньюкомена не подвергалась сомнению в течение следующих 50 или около того лет и, помимо откачки шахт, также использовалась для осушения водно-болотных угодий, подачи воды в города и даже для электростанций и заводов путем откачки воды. снизу водяного колеса наверх для повторного использования.

В 1698 году Томас Савери запатентовал машину, которая могла эффективно забирать воду из затопленных шахт с помощью давления пара. (Изображение предоставлено: общественное достояние.)

В основе промышленной революции

Но к 1765 году судьба двигателя Ньюкомена была решена.В том же году Джеймс Ватт, шотландский производитель приборов, работавший в Университете Глазго, начал ремонт небольшой модели двигателя Ньюкомена. Ватт был озадачен большим количеством пара, потребляемого машиной Ньюкомена, и понял, что для устранения этой неэффективности ему придется отказаться от постоянного охлаждения и подогрева парового цилиндра.

Для этого Уотт разработал отдельный конденсатор, который позволял поддерживать постоянную температуру в паровом цилиндре и значительно улучшал функциональность двигателя Ньюкомена.

По финансовым причинам Ватт не смог сразу произвести свой новый улучшенный атмосферный двигатель. Но к 1776 году он заключил партнерство с Мэтью Бултоном, английским производителем и инженером, решительно настроенным на использование паровых двигателей не только для откачки воды из шахт.

При финансовой поддержке Бултона Ватт разработал роторный паровой двигатель одностороннего (а позже и двустороннего) действия, который, наряду с фирменным отдельным конденсатором Ватта, имел механизм параллельного движения, который удваивал мощность существующего парового цилиндра.Двигатель Boulton-Watt также был первым, который позволил оператору машины управлять частотой вращения двигателя с помощью устройства, называемого центробежным регулятором. В улучшенном двигателе использовалась новая зубчатая передача, разработанная Уильямом Мердоком, сотрудником Бултона и Уоттса, известная как солнечная и планетарная передача, для преобразования возвратно-поступательного (линейного) движения во вращательное.

Усовершенствования Ватта в паровой машине в сочетании с видением Бултона страны, работающей на паре, способствовали быстрому внедрению паровых двигателей в Соединенном Королевстве и, в конечном итоге, в Соединенных Штатах.К 1800-м годам паровые машины приводили в действие фабрики, фабрики, пивоварни и множество других производственных предприятий. В 1852 году состоялся первый полет парового дирижабля. Будущие итерации парового двигателя также стали определять путешествия, поскольку поезда, лодки и железные дороги переняли технологию для продвижения пассажиров в 20-м веке. [См. Также: Как Steam Engine изменил мир]

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

паровой двигатель | Определение, история, влияние и факты

Паровой двигатель , машина, использующая энергию пара для выполнения механической работы за счет тепла.

Паровая машина Жана-Жозефа-Этьена Ленуара.

Архив Халтона / Getty Images

Британская викторина

Изобретатели и изобретения

Наши самые ранние человеческие предки изобрели колесо, но кто изобрел шарикоподшипник, уменьшающий трение вращения? Позвольте колесам в вашей голове крутиться, проверяя свои знания об изобретателях и их изобретениях в этой викторине.

Далее следует краткое описание паровых машин. Для полной обработки энергии пара и производства паровых двигателей и турбин, см. Преобразование энергии: Паровые двигатели .

В паровой машине горячий пар, обычно поставляемый котлом, расширяется под давлением, и часть тепловой энергии преобразуется в работу. Остатку тепла можно дать уйти или, для максимальной эффективности двигателя, пар можно конденсировать в отдельном устройстве, конденсаторе, при сравнительно низких температуре и давлении. Для обеспечения высокого КПД пар должен проходить через широкий диапазон температур в результате его расширения внутри двигателя. Наиболее эффективная работа — то есть наибольшая производительность по отношению к поданному теплу — обеспечивается за счет использования низкой температуры конденсатора и высокого давления в котле. Пар можно дополнительно нагреть, пропустив его через пароперегреватель на пути от котла к двигателю. Обычный пароперегреватель представляет собой группу параллельных труб, поверхности которых подвергаются воздействию горячих газов в топке котла.С помощью пароперегревателей пар может быть нагрет до температуры, превышающей температуру, при которой он вырабатывается кипящей водой.

В поршневом двигателе, паровом двигателе поршневого и цилиндрового типа, пар под давлением впускается в цилиндр с помощью клапанного механизма. Когда пар расширяется, он толкает поршень, который обычно соединен с кривошипом маховика для создания вращательного движения. В двигателе двустороннего действия пар из котла попадает попеременно с каждой стороны поршня. В простом паровом двигателе расширение пара происходит только в одном цилиндре, тогда как в составном двигателе имеется два или более цилиндров увеличивающегося размера для большего расширения пара и более высокой эффективности; первый и самый маленький поршень приводится в действие паром начального высокого давления, а второй — паром низкого давления, выходящим из первого.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишись сейчас

В паровой турбине пар выпускается с высокой скоростью через сопла, а затем проходит через ряд неподвижных и движущихся лопаток, заставляя ротор двигаться с высокой скоростью. Паровые турбины более компактны и обычно допускают более высокие температуры и большую степень расширения, чем поршневые паровые двигатели. Турбина — универсальное средство, используемое для выработки большого количества электроэнергии с помощью пара.

Самые ранние паровые машины были научными новинками Героя Александрии в I веке нашей эры, такими как эолипил, но только в 17 веке были предприняты попытки использовать пар для практических целей. В 1698 году Томас Савери запатентовал насос с ручными клапанами для подъема воды из шахт за счет всасывания за счет конденсации пара. Примерно в 1712 году другой англичанин, Томас Ньюкомен, разработал более эффективную паровую машину с поршнем, отделяющим конденсирующийся пар от воды.В 1765 году Джеймс Ватт значительно улучшил двигатель Ньюкомена, добавив отдельный конденсатор, чтобы избежать нагрева и охлаждения цилиндра при каждом такте. Затем Ватт разработал новый двигатель, который вращал вал вместо простого движения насоса вверх и вниз, и добавил много других улучшений для создания практичной силовой установки.

Вращающийся паровой двигатель Джеймса Ватта с солнечно-планетной передачей, оригинальный рисунок, 1788 год. В Музее науки в Лондоне.

Авторское право Британской короны, Музей науки, Лондон

Громоздкий паровой вагон для дорог был построен во Франции Николасом-Жозефом Кюньо еще в 1769 году.Ричард Тревитик в Англии был первым, кто использовал паровой экипаж на железной дороге; в 1803 году он построил паровоз, который в феврале 1804 года успешно проехал по конному маршруту в Уэльсе. Адаптация парового двигателя к железным дорогам стала коммерчески успешной с выпуском Rocket английского инженера Джорджа Стефенсона в 1829 году. Первым практическим пароходом был буксир Charlotte Dundas, , построенный Уильямом Симингтоном и испытанный на канале Форт и Клайд. Шотландия, 1802 год.Роберт Фултон применил паровой двигатель на пассажирском судне в США в 1807 году.

Паровая машина Корлисса вырабатывала всю энергию, используемую в Машинном зале на Столетней выставке в Филадельфии, 1876 год.

Библиотека Конгресса, Вашингтон, округ Колумбия.

Хотя паровой двигатель уступил место двигателю внутреннего сгорания в качестве двигателя транспортного средства, интерес к нему возродился во второй половине 20-го века из-за увеличения проблем с загрязнением воздуха, вызванных сжиганием ископаемого топлива во внутренних помещениях. двигатели внутреннего сгорания.

История парового двигателя

История парового двигателя [Главная страница истории Steam] [Карта сайта истории Steam] [Домашняя страница вводного учебника по химической инженерии] [Дополнительные материалы к учебнику]

Краткая история парового двигателя

Резюме Карла Лиры

Одной из самых важных промышленных задач 1700-х годов было удаление воды из шахт. Пар использовался для откачки воды из шахт. Теперь это может показаться, что имеет мало общего с современной паровой электроэнергией растения.Однако один из основополагающих принципов, используемых при разработке паровая энергия — это принцип, по которому конденсация водяного пара может создавать вакуум. В этой краткой истории рассказывается, как конденсация использовалась для создания вакуума. для работы первых паровых насосов, и как Джеймс Ватт изобрел отдельный конденсатор. Хотя циклические процессы, представленные в этой истории, не используются в современных паровых турбинах с непрерывным потоком в современных системах используются отдельные конденсаторы работает при давлении ниже атмосферного, применяя описанные здесь принципы.Кроме того, рассказы об изобретателях и их изобретениях дают представление о процесс технологических открытий.

Демонстрация вакуума

Один из важнейших принципов, применяемых при работе паровой энергии. это создание вакуума путем конденсации. Эта ссылка представляет собой простую иллюстрацию используя бутылку безалкогольного напитка и кипяток. Демонстрация демонстрирует, как конденсация внутри резервуара создается вакуум. В насосе Savery, описанном ниже, используется метод очень похоже на продемонстрированный метод.Вакуум Демо.

Спасательный насос

Раньше одним из распространенных способов удаления воды было использование серии ковшей на шкивной системе, управляемой лошадьми. Это было медленно и дорого так как животные нуждались в корме, ветеринарии и жилье. Использование пар для перекачивания воды был запатентован Томасом Савери в 1698 году, и, по его словам, предоставил «двигатель для подъема воды с помощью огня». Насос Савери работал нагревая воду до ее испарения, заполняя резервуар паром, а затем создавая вакуум, изолировав резервуар от источника пара и конденсируя пар.Вакуум использовался для забора воды из шахт. Однако вакуум мог набирайте воду только с небольшой глубины. Еще одним недостатком помпы была использование давления пара для вытеснения воды, втянутой в резервуар. В принципе, давление можно использовать для выталкивания воды из бака вверх. 80 футов, но взрывы котлов не были редкостью, так как конструкция герметичного котлы были не очень продвинутыми. По этой ссылке вы найдете подробную информацию о работе Savery. Описание насоса..

Атмосферный двигатель Newcomen

Томас Ньюкомен (1663-1729), кузнец, в течение 10 лет экспериментировал, чтобы разработать первый по-настоящему успешный паровой двигатель, приводящий в действие насос для удаления воды из мины. Его возможности продавать двигатель мешал широкий патент Савери. Он был вынужден основать фирму с Savery, несмотря на улучшение показателей. его двигателя, существенные механические отличия, устранение потребность в давлении пара и использование вакуума совсем другим способом.А Схема двигателя Ньюкомена показана на рисунке 1. Двигатель называется «атмосферный» двигатель, потому что максимальное давление пара около атмосферное давление.

Рис. 1. Иллюстрация атмосферного двигателя Ньюкомена для перекачивания воды.

Принцип работы. Паровая машина состоит из паровой поршень / цилиндр, который перемещает большую деревянную балку для привода водяного насоса. Двигатель не использует давление пара для подъема парового поршня ! Скорее, система устроена так, что балка тяжелее со стороны основного насоса, и сила тяжести тянет вниз основную насосную часть балки.Вес добавляется к со стороны основного насоса, если необходимо. Насосы на Рисунке 1 вытесняют воду по восходящей ход поршня насоса соответствует насосам, используемым в оборудовании в то время, и обсуждение следует за этой конструкцией. Чтобы нарисовать вода в основной насос в правой части диаграммы, рассмотрим цикл это начинается с того, что луч направлен вниз. Цилиндр под паром поршень сначала заполняется паром атмосферного давления, а затем распыляется вода в цилиндр для конденсации пара.Разница давлений между атмосферой и в результате вакуум выталкивает пар поршень вниз, потянув поршень основного насоса вверх, поднимая воду над поршнем основного насоса и заполняя нижнюю камеру основного насоса водой. В нижней части хода парового поршня открывается клапан для восстановления паровой цилиндр до атмосферного давления, и луч направо опускается вниз под действием силы тяжести, позволяя главному поршню упасть. Когда основной поршень падает, вода из-под поршня проходит в камеру над поршнем, как объяснено ниже.Пар атмосферного давления поступает в паровой цилиндр. на этом этапе, позволяя повторить процесс.

Двигатель Newcomen был лучшей технологией за 60 лет! Некоторые двигатели Newcomen использовались намного дольше, хотя и значительно уступали ваттным двигатели, которые последовали. Подробнее о работе и фото самого старого существующий механизм Ньюкомена, см. Ньюкомен Описание двигателя.

Ваттный атмосферный паровой двигатель

Рисунок 2.Иллюстрация атмосферного двигателя Ватта для перекачивания воды. Главный насос не показан. (По гравюре Стюарта, 1824 г. , С. 114.).

Двигатели Newcomen были крайне неэффективны. Пользователи узнали, как требовалось много энергии. Паровой цилиндр многократно нагревали и охлаждали, что тратит энергию на повторный нагрев стали, а также вызывает большие тепловые стрессы. Джеймс Ватт (1736-1819) совершил прорыв, используя отдельный конденсатор.Ватт открыл отдельный конденсатор в 1765 году. (См. Эксперимент Ватта.) Прошло 11 лет, прежде чем видел устройство на практике! Самое большое препятствие для реализации двигателя Ватта была технология изготовления большого поршня / цилиндра с достаточно узкими допусками, чтобы запечатать умеренный вакуум. Технология улучшилась примерно в то же время, когда Ватт обнаружил финансовые поддержка, в которой он нуждался, благодаря партнерству с Мэтью Бултоном.

Принцип работы. Двигатель Ватта, как и двигатель Ньюкомена, работающий по принципу разницы давлений, создаваемой вакуумом с одной стороны поршня, чтобы нажать паровой поршень вниз. Однако паровой цилиндр Ватта вообще оставался горячим. раз. Клапаны пропускали пар в отдельный конденсатор. Затем конденсат откачивали вместе с любыми газами с помощью воздушного насоса. (См. Рисунок 2.)

Подробнее о работе и фото пары двигателей Ватт используется для перекачивания воды, см. Ватт Описание двигателя.

Поршень двустороннего действия и роторный двигатель

Рис. 3. Иллюстрация двигателя двойного действия Boulton-Watt. (Адаптировано с гравюры Стюарта, 1824 г., стр. 128).

Ватт и Бултон успешно применили свой двигатель для откачки воды из колодцы. Бултон был дальновидным промышленником и воспользовался о возможности применять двигатель в других отраслях.Перемещение паровой двигатель в помещении, устройство стало полезным для работы мельниц и текстильные фабрики и др.

Двигатель, изображенный слева, является примером двигателя позднего 1700-е гг. Обратите внимание на цепь, которая раньше соединяла поршень с балкой. двигатели заменены на механизм параллельного движения. Ватт сказал его сын, что он гордился этим изобретением даже больше, чем он был сам двигатель. Механизм позволял поршню действовать в идеально выровненное движение вверх / вниз, пока луч пересекает дугу.Механизм Также появилась возможность переносить работу восходящим ходом! Steam — это наконец-то делаю работу толкая вверх! Используемые для этого котлы В устройстве также находятся котлы атмосферного давления. Цилиндровое пространство над поршень соединен с вакуумом конденсатора, чтобы позволить пар, чтобы подтолкнуть поршень.

Двигатель слева также содержит еще одно необходимое улучшение. для управления механизмами с постоянной скоростью — подключенный регулятор скорости к дроссельной заслонке.

Более подробная информация о двигателе двойного действия, механизме параллельного движения, регулятор скорости, а также солнечная и планетарная шестерни (без изображения на рисунке 3), включая фотографии, см. Двойное действие Описание двигателя.

Биография Джеймса Ватта и история двигателя

История Джеймса Ватта и разработки двигателя чрезвычайно интересна. Воспользуйтесь этой ссылкой, чтобы найти биографию Ватта.История помогает понять, как двигатель стал больше, чем водяной насос и как Вышеупомянутые события относятся к человеку и времени.

важных дат в развитии Steam Двигатель

Краткая библиография книг и ресурсов для Изучение паровых двигателей и Джеймса Ватта

Карта сайта

Чтобы перейти в каталог сайта, щелкните здесь.


Спасибо за проявленный интерес!

Обновлено 21.05.13, Авторские права 2001-2013, Карл Т.Лира, [email protected] msu.edu Все права защищены.
Подготовлено как дополнение к вводному Химическая инженерия термодинамика.

Кто изобрел паровой двигатель? Урок промышленной истории

Изображение предоставлено: Eder / Shutterstock.com

История парового двигателя восходит к I веку нашей эры, когда «эолипил» был впервые описан героем Александрии. Более чем 1500 лет спустя примитивные формы турбин, приводимых в движение силой пара, были объяснены Таки ад-Дином в 1551 году, а также Джованни Бранка в 1629 году.Это были либо небольшие паровые домкраты, либо спусковые устройства. Их использовали в основном изобретатели, чтобы продемонстрировать, что паровую энергетику нельзя недооценивать.

История парового двигателя — открытие энергии пара

В 1700-х годах горняки столкнулись с серьезной промышленной проблемой, связанной с добычей воды из глубоких шахт. В это время была продемонстрирована истинная сила пара, поскольку эта энергия использовалась для откачки воды из глубины шахты. Так была открыта потенциальная сила пара, что привело к изобретению полноценной паровой машины.

Паровые электростанции в современном мире появились позже. Основным принципом, по которому работали первые паровые машины, была «конденсация водяного пара для создания вакуума». Позже это стало зависеть от расширяющейся мощности пара для движения поршней в обоих направлениях.

Кто вообще изобрел паровой двигатель?

Томас Савери был первым человеком, который в 1698 году изобрел паровой насос для откачки воды.Он назвал это «вода от огня». Запатентованный им паровой насос работал путем кипячения воды до тех пор, пока она полностью не превращалась в пар. Затем пар собирался в резервуар, извлекая весь пар из исходного резервуара, тем самым создавая вакуум в исходном резервуаре. . Именно этот вакуум использовался для выработки достаточного количества энергии для откачки воды из шахт. Это оказалось временным решением, поскольку энергия могла забирать воду с глубины всего в несколько метров. Еще один недостаток этот насос заключался в том, что давление пара использовалось для удаления воды, которая втягивалась внутрь резервуара.Давление было слишком большим для котлов, и было несколько взрывов, так как котлы были недостаточно мощными.

  • Томас Савери: биография Томаса Савери с информацией о его двигателе.
  • Разработка парового двигателя: статья освещает разработку парового двигателя, включая вклад Savery и атмосферные двигатели.

Thomas Newcomen Steam Engine

В 1712 году Томас Ньюкомен изобрел эффективный и практичный паровой двигатель.Паровая машина, которую он сконструировал, состояла из поршневой и цилиндрической системы, соединенной с насосом посредством качающейся балки. Подобно конструкции Савери, атмосферный двигатель Ньюкомена использовал конденсирующийся пар в цилиндре для создания вакуума. В результате разность давлений между вакуумом и атмосферой была достаточной, чтобы толкнуть поршень в цилиндр и поднять насос. Затем вес насоса втягивал бы поршень обратно в цилиндр, и клапан открывался бы, выпуская пар из котла.Затем другой клапан будет вводить конденсирующуюся воду в цилиндр, и пар снова конденсируется в воду, повторяя цикл.

Балочный двигатель Ньюкомена использовался более 50 лет в качестве насосов для угольных шахт, которые в противном случае были бы затоплены и заброшены. Они оказались неэффективными, так как для эффективной работы двигателя требовалось много энергии. Цилиндр требовал нагрева и охлаждения в каждом цикле, расходуя большую часть энергии и вызывая большие потери.

Двигатели низкого давления

Высокий расход угля, который был обычным для парового двигателя Ньюкомена, был уменьшен за счет нововведений в конструкции двигателя Джеймса Ватта. Цилиндр двигателя низкого давления имел теплоизоляцию, отдельный конденсатор и механизм откачки конденсированной воды. Таким образом, двигатель низкого давления смог снизить расход топлива более чем на 50%.

Иван Ползунов и первый двухцилиндровый паровоз

Иван Ползунов был русским изобретателем, который в 1766 году построил первый в своей стране паровой двигатель и первый в мире двухцилиндровый двигатель. Двухцилиндровый паровой двигатель Ползунова был мощнее английских атмосферных двигателей. Он имел номинальную мощность 32 л.с. Ползунов умер за три дня до того, как машина была закончена, но она была запущена, приводя в действие воздушный насос для сталелитейного завода. Он проработал три месяца, прежде чем был заменен более традиционной технологией. Модель Ползунова двухцилиндрового парового двигателя сейчас экспонируется в Барнаульском музее.

  • Иван Ползунов: В статье рассказывается о том, как русский ученый построил двухцилиндровую паровую машину.

Усовершенствованный паровой двигатель Джеймса Ватта

Наконец, именно Джеймс Ватт произвел революцию в паровой машине, применив отдельный конденсатор в первоначальной конструкции. Он придумал отдельный конденсатор в 1765 году. Его конструкция воплотилась в успешной паровой машине только 11 лет спустя. Конденсатор позволял цилиндру и поршню оставаться горячими, а не поочередно нагреваться и охлаждаться, как в двигателе Ньюкомена, что значительно увеличивало его эффективность. Была решена одна проблема — расточка необходимых цилиндров большого диаметра. Джон Уилкинсон сделал буровой инструмент, который опирался на оба конца, а не на консоль, что позволяло растачивать точные цилиндры диаметром до 50 дюймов. Это привело к лучшему прилеганию поршня к стенкам цилиндра. Технология достигла большого прогресса. Ватт лицензировал свой двигатель в зависимости от количества сэкономленного топлива. Дальнейшие улучшения включали обшивку цилиндра и разработку параллельного рычага, который позволял поршню толкать и тянуть.Это приведет к вращательному движению и замене водяных колес в качестве источника промышленной энергии. Ватт рассматривал пар высокого давления, но не принимал его во внимание, полагая, что котлы того времени не способны выдерживать такое давление. Ватт также разработал метод измерения давления в зависимости от объема в цилиндре, что привело к хорошо известной диаграмме p-v , которая используется до сих пор.

Двигатели высокого давления

Но кто изобрел паровой двигатель высокого давления? В 1801 году Ричард Тревитик изобрел двигатель с паром, поддерживаемым высоким давлением. Он использовался для питания локомотива. Они оказались более мощными по сравнению со всеми двигателями, изобретенными ранее, но не получили немедленного признания. Сам Ватт выразил обеспокоенность опасностью пара высокого давления. В конечном итоге успехом стала конструкция двигателя, представленная Оливером Эвансом. Он использовал концепцию пара для питания двигателя, а не конденсации пара и создания вакуума. Эванс изобрел первую паровую машину высокого давления без конденсации в 1805 году.Двигатель был стационарным и мог производить 5 л.с., что примерно в 25 раз меньше ближайшего двигателя низкого давления, производившего 12 л.с. Этот двигатель был впервые использован для работы пилы по мрамору. Двигатель высокого давления снабжался котлом с медным кожухом, обшитым деревом и усиленным железными кольцами.

Со временем эти паровые машины использовались на моторных лодках и железных дорогах в 1802 и 1829 годах соответственно. Почти полвека спустя были изобретены первые паровые автомобили. Чарльз А. Парсонс изобрел первую паровую турбину в 1880 году. К 20 веку паровая машина широко использовалась на промышленных предприятиях, локомотивах и кораблях. Некоторые из них будут использоваться для двигателей, пока Генри Форд не изменит этот путь.

Паровоз Корнуолла

Ричард Тревитик попытался обновить насосный двигатель, сделанный Ваттом, и внес значительные изменения, чтобы обойти патент, в частности, использование пара более высокого давления. Он был изменен, чтобы приспособиться к котлам Корнуолла, разработанным Тревитиком.Впоследствии эффективность паровых двигателей Корнуолла была улучшена Уильямом Симсом, Артуром Вульфом и Сэмюэлем Гроузом. Обновленные паровые двигатели Корнуолла имели изолированные цилиндры, трубы и котлы для повышения эффективности. Вульф также понял, что пар можно лучше использовать путем компаундирования — пропуска его через несколько цилиндров увеличивающегося объема — идея, которая привела к созданию двигателей двойного и тройного расширения.

  • Ричард Тревитик: Вот биография этого промышленного гения, полная интересных фактов о Ричарде Тревитике.

Эпоха Steam

Паровые двигатели будут обеспечивать стационарную и транспортную энергию более века, пока волна не обратилась в сторону паровых турбин и двигателей внутреннего сгорания. К 1890-м годам паровой двигатель тройного расширения стал основным двигателем на суше и на море. В течение пятидесяти лет эта конструкция постоянно улучшалась: давление увеличивалось до 250 фунтов на квадратный дюйм, был введен перегрев, тройное расширение превратилось в четырехкратное расширение и т.д. в цилиндр на горячих концах и выпускается в более холодном центре, уменьшая относительный нагрев и охлаждение стенок цилиндра.

Многие из классических форм машиностроения были разработаны в эпоху паровых машин, включая цилиндры, шатуны, коленчатые валы, маховики и регуляторы. Линия Ватта, в которой центральное звено движется по почти линейному пути, была описана изобретателем в его патентной заявке 1784 года. Звено позволяло поршням как толкать, так и тянуть, что было лучше цепных соединений более ранних атмосферных двигателей, которые могли только тянуть. Ссылка все еще используется в подвеске некоторых автомобилей.

Многие возразят, что паровая машина сделала больше для области термодинамики, чем термодинамика сделала для паровой машины. Развитие многих его принципов в девятнадцатом веке было направлено непосредственно на определение характеристик этих первых двигателей. Таблицы и диаграммы пара, в которых количественно определены зависимости температуры-энтропии, энтальпии-энтропии и давления-объема, во многом помогли понять тепловые характеристики электростанций. Французский инженер Сэди Карно осознал, что эффективность идеализированного двигателя не зависит от рабочей жидкости и зависит только от температуры, при которой тепло подводится к горячему источнику и сбрасывается в холодный сток.Это заложило основу для термодинамической теории, которая должна была быть разработана в середине века. Инженеры узнают его имя из цикла Карно. В начале двадцатого века безопасность котлов высокого давления была усилена принятием Кодекса по котлам и сосудам высокого давления.

К концу Второй мировой войны паровые машины, известные как «Up and Downers», все еще приводили в движение многие торговые суда, двигавшиеся со скоростью 10–12 узлов через океаны. Но растущий спрос на ускорение транзита привел к появлению в мире паровых турбин мореплавателей, которые, в конечном итоге, будут вытеснены дизелями.Стационарные электростанции будут гораздо дольше полагаться на пар; сегодня более 80% электроэнергии, доступной в США, производится с помощью паровых турбин.

Сводка

В этой статье представлена ​​краткая история паровых машин. Для получения дополнительной информации о сопутствующих продуктах обратитесь к другим нашим руководствам или посетите платформу Thomas Supplier Discovery Platform, чтобы найти потенциальные источники поставок или просмотреть подробную информацию о конкретных продуктах.

Другие популярные темы на ThomasNet.com включают штамповку глубокой вытяжки, литье пластмасс, компании лазерной резки, цеха по изготовлению металлических фабрик, цеха прядения металла, цеха штамповки металла, резиновые детали пресс-форм и пластмассовые пресс-формы на заказ.

Другие изделия для двигателей

Больше от Custom Manufacturing & Fabricating

Локомотивов — Трансконтинентальная железная дорога

На протяжении веков человек пытался использовать механическую силу тепла и воды. Еще в 200 г. до н.э., в своем Pneumatica , Герой Александрии описал устройство под названием Aeolipile, которое считается первым зарегистрированным паровым двигателем. Шар, содержащий воду, был установлен над котлом, и по мере его нагрева две выступающие изогнутые трубы выбрасывали струи пара, заставляя шар вращаться.Многие такие устройства были изобретены в последующие века, когда ученые изучали принципы гидравлики, пневматики и свойства газов, но эти устройства не выполняли реальной работы. Лишь в 18, 90, 289 и годах в Британии паровая машина начала менять не только облик промышленности, но и отношение человечества к работе и обществу.

Как работает двигатель Ньюкомена

Вода кипятится, чтобы создать пар, который толкает вверх поршень в цилиндре.Шток поршня прикреплен к поперечине, и когда поршень поднимается, вес штока насоса, подвешенного на противоположном конце балки, тянется вниз. Когда поршень достигает верхней части цилиндра, в поршневой цилиндр впрыскивается струя воды, в результате чего пар конденсируется, всасывая поршень обратно вниз. Охлаждающая вода сливается, и цикл повторяется бесконечно.

В 1712 году Томас Ньюкомен и его помощник Джон Калли представили первый коммерчески жизнеспособный паровой двигатель. Атмосферный двигатель Ньюкомена использовал пар для привода насоса.Хотя это было не очень эффективно, сотни таких двигателей использовались для откачки воды из британских угольных шахт и затопленных территорий.

В конце 18 -го -го века Джеймс Ватт, человек, которого впоследствии назовут отцом паровой машины, значительно повысил эффективность стационарного двигателя, запатентовав двигатель «двойного действия», который использовал пар высокого давления на обе стороны поршня, чтобы удвоить выход. Его патенты также включали такие вспомогательные устройства, как манометры, дроссельные клапаны и регуляторы пара.В сотрудничестве с производителем Мэтью Бултоном усовершенствования и изобретения Ватта привели к промышленной революции.

После усовершенствований Ватта многие изобретатели пытались адаптировать паровой двигатель к видам транспорта как по суше, так и по воде. Создание движущей силы пара впервые в истории позволило бы человеку передвигаться по суше со скоростью, превышающей скорость домашней лошади.


Трамвайный локомотив Тревитика

В 1802 году Ричард Тревитик запатентовал «двигатель высокого давления» и создал первый паровой локомотив на рельсах. 21 февраля 1804 года Тревитик написал, после испытания его трамвайного двигателя высокого давления, что он «перевез десять тонн железа, пять вагонов и 70 человек … на расстояние более 9 миль … за 4 часа 5. Монетные дворы «. Хотя путешествие казалось громоздким, это был первый шаг к изобретению, которое полностью изменило отношение человека ко времени и пространству.

Джордж Стефенсон и его сын Роберт построили первый практичный паровоз. Стивенсон построил свой «путевой двигатель» в 1814 году, который использовался для перевозки угля на шахте Киллингворта.В 1829 году Стефенсоны построили знаменитый локомотив Rocket, , в котором использовался многотрубный котел, практика, которая продолжалась в последовательных поколениях паровых машин. Модель Rocket выиграла соревнование Rainhill Trials, проводившееся с целью решить вопрос о том, лучше ли перемещать вагоны по рельсам с помощью неподвижных паровых двигателей с использованием системы шкивов или с помощью паровых двигателей локомотивов. Rocket выиграл приз в 500 фунтов стерлингов за свою среднюю скорость 13 миль в час (без нагрузки, Rocket развивал скорость до 29 миль в час), обойдя Брейтуэйта и Эриксона Novelty и Тимоти Хакворта Sans Pareil .Стефенсоны включили в свои двигатели элементы, которые использовались в следующих поколениях паровых машин.


Патентный локомотив Стивенсона

Хотя первым локомотивом, который работал на американских железных дорогах, был Stourbridge Lion , построенный в 1828 году и импортированный из Англии Горацио Алленом из Нью-Йорка, британские локомотивы не стали доминировать на американских железных дорогах, потому что они были слишком тяжелыми для относительно легкие и часто неровные американские трассы.Фактически, Lion вскоре превратился в стационарный паровой двигатель.

американских изобретателей и инженеров прошли параллельный курс с британцами, и еще в 1812 году Джон Стивенс обратился в Конгресс с ходатайством о поддержке национальной железной дороги. Он также построил первый американский паровоз в 1825 году. Многотрубный котельный двигатель, он работал на круговой демонстрационной трассе на его территории в Хобокене, штат Нью-Джерси. Хотя ему не удалось получить финансовую поддержку для национальной железной дороги или своего локомотива, Стивенс позже основал одну из первых железных дорог Америки — Camden & Amboy Railroad.

Tom Thumb Питера Купера , построенный в 1830 году, был первым американским локомотивом, который тянул пассажирский вагон по железной дороге. Хотя он и был небольшим, он был достаточно мощным, чтобы убедить директоров железной дороги Балтимора и Огайо в практическом применении паровоза.


Лучший друг Чарльстона

Отличие в том, что он первым протащил состав вагонов по американской железной дороге на регулярной основе, получил Best Friend of Charleston в 1831 году.Модель Best Friend , спроектированная Э. Л. Миллером и построенная в Нью-Йорке, проработала почти шесть месяцев, пока ее котел не взорвался, когда рабочий, которого раздражал звук шипящего пара, нажал на предохранительный клапан.

В 1831 году Матиас Болдуин также основал Baldwin Locomotive Works. Его вторая паровая машина, E.L. Miller создал прототип, на основе которого позже развились двигатели. К концу 19 -го -го века компания Матиаса Болдуина стала крупнейшим производителем локомотивов в мире и доминировала на рынке более ста лет, производя около 59 000 локомотивов.

Первые локомотивы были построены с фиксированными колесами, которые хорошо работали на прямых путях, но не так хорошо работали в гористой местности Америки. Американский инженер-строитель Джон Джервис в 1832 году спроектировал локомотив Experiment , который имел поворотную четырехколесную тележку с направляющими, также известную как «тележка», которая могла следовать по рельсам и позволяла локомотивам двигаться по железным дорогам с более жесткими кривые.


Локомотив Америка, построенный Грант Локомотив Уоркс, Патерсон, Н.J. для Парижской выставки 1867 года, стандартный американский локомотив 4-4-0 середины XIX века.

Пилот, или «ловец коров», был уникальным для американских локомотивов. Железнодорожные пути не были огорожены, и железнодорожные компании несли ответственность за любой ущерб, нанесенный в результате столкновения с животным, которое могло привести к сходу с рельсов локомотивом. John Bull, примерно в 1833 году, был одним из первых локомотивов в Америке, оснащенных таким устройством для устранения препятствий с пути. Вскоре летчики стали стандартным оборудованием для американских локомотивов.

Локомотивы

могут быть сконфигурированы различными способами, в зависимости от расположения колес ведущего грузовика, ведущих колес и ведомого грузовика. Конфигурация 4-4-0 (то есть четыре колеса на ведущем грузовике и четыре ведущих колеса без ведомого грузовика) чаще всего использовалась в США и стала известна как американский стандарт. Локомотивы, которые встретились на вершине Мыса, Юпитере Центральной части Тихого океана и Двигателе № 119 Union Pacific, были локомотивами 4-4-0.

Американские производители производили локомотивы, равные по мощности британским двигателям, но по более низкой цене. Хотя американские двигатели были тщательно украшены дорогой латунной работой, а затраты на рабочую силу были выше, чем в Великобритании, американские производители сократили затраты, используя для многих компонентов менее дорогой чугун, а не кованое железо. Железные дороги Америки начинались с использования локомотивов, импортированных из Великобритании, но к концу 19 -го -го века Америка была крупным производителем локомотивов и экспортировала более 2 900 двигателей.

Не будет преувеличением сказать, что паровая сила и локомотивы имели такой же преобразующий эффект в 19 -м веке, который компьютер оказал в 20-м, -м. Роберт Терстон в своей книге 1878 года по истории паровой машины сказал, что было бы «излишним пытаться перечислить выгоды, которые она принесла человечеству, поскольку такое перечисление будет включать добавление ко всем удобствам и преимуществам. создание почти всех предметов роскоши, которыми мы сейчас наслаждаемся.«

История паровых двигателей

До изобретения бензинового двигателя механическая транспортировка работала на пару. Фактически, концепция парового двигателя возникла на пару тысяч лет раньше современных двигателей, поскольку математик и инженер Герон Александрийский, живший в Римском Египте в течение первого века, был первым, кто описал элементарную версию, которую он назвал Эолипил.

Попутно несколько ведущих ученых подумали об использовании силы, генерируемой при нагревании воды, для приведения в действие какой-либо машины.Одним из них был не кто иной, как Леонардо да Винчи, который разработал проект паровой пушки под названием Architonnerre где-то в 15 веке. Базовая паровая турбина также была подробно описана в работах египетского астронома, философа и инженера Таки ад-Дина в 1551 году.

Однако настоящая основа для разработки практичного работающего двигателя появилась только в середине 1600-х годов. Именно в этом столетии несколько изобретателей смогли разработать и испытать водяные насосы, а также поршневые системы, которые проложили путь для коммерческого парового двигателя.С этого момента коммерческий паровой двигатель стал возможен благодаря усилиям трех важных фигур.

Томас Савери (1650–1715)

Томас Савери был английским военным инженером и изобретателем. В 1698 году он запатентовал первый сырой паровой двигатель на основе варочного котла Дениса Папина или скороварки 1679 года.

Савери работал над решением проблемы откачки воды из угольных шахт, когда ему в голову пришла идея двигателя, работающего от пара.Его машина представляла собой закрытый сосуд, наполненный водой, в который вводился пар под давлением. Это заставило воду подняться вверх и выйти из шахты. Затем для конденсации пара использовался спринклер с холодной водой. Это создавало разрежение, в результате которого через донный клапан из шахты выводилось больше воды.

Томас Савери позже работал с Томасом Ньюкоменом над атмосферным паровым двигателем. Среди других изобретений Савери был судовой одометр — устройство, измеряющее пройденное расстояние.

Томас Ньюкомен (1663–1729)

Томас Ньюкомен был английским кузнецом, который изобрел атмосферный паровой двигатель. Изобретение было улучшением предыдущей конструкции Томаса Савери.

Паровая машина Ньюкомена использовала силу атмосферного давления для выполнения своей работы. Этот процесс начинается с того, что двигатель нагнетает пар в цилиндр. Затем пар конденсировался холодной водой, что создавало вакуум внутри цилиндра. Возникающее атмосферное давление приводило в действие поршень, создавая ходы вниз.В двигателе Ньюкомена интенсивность давления не ограничивалась давлением пара, в отличие от того, что Томас Савери запатентовал в 1698 году.

В 1712 году Томас Ньюкомен вместе с Джоном Калли построили свой первый двигатель на верхней части заполненной водой шахты и использовали его для откачки воды из шахты. Двигатель Ньюкомена был предшественником двигателя Ватта и был одним из самых интересных технологических элементов, разработанных в 1700-х годах.

Джеймс Ватт (1736–1819)

Джеймс Ватт родился в Гриноке и был шотландским изобретателем и инженером-механиком, который прославился усовершенствованиями, внесенными в паровой двигатель.Во время работы в Университете Глазго в 1765 году Уотту было поручено отремонтировать двигатель Ньюкомена, который считался неэффективным, но лучшим паровым двигателем своего времени. Это заставило изобретателя работать над несколькими улучшениями конструкции Ньюкомена.

Наиболее заметным улучшением стал патент Ватта 1769 года на отдельный конденсатор, соединенный с цилиндром с помощью клапана. В отличие от двигателя Ньюкомена, конструкция Ватта имела конденсатор, который мог охлаждаться, пока цилиндр был горячим. В конце концов двигатель Ватта стал доминирующей конструкцией для всех современных паровых двигателей и помог осуществить промышленную революцию.

Единица мощности под названием Ватт была названа в честь Джеймса Ватта. обозначение ватта — W, и оно равно 1/746 лошадиных сил, или один вольт, умноженный на один ампер.

Первый паровоз Джорджа Стивенсона

Через несколько лет после его смерти в 1848 году Джорджа Стефенсона назвали «отцом железных дорог», но эта награда была оспорена, поскольку в разработке первой в мире железнодорожной системы принимали участие и другие инженеры. Самым известным был Роберт Тревитик, корнуолл, который в 1803 году построил первый паровоз для движения по рельсам, что было необходимо, потому что достаточно мощный двигатель был слишком тяжелым для дорог или деревянных гусениц.Другие последовали его примеру, и Кристиан Вольмар в своей книге Великая железнодорожная революция предполагает, что Стивенсон, обладавший талантом улучшать идеи других людей, был не столько отцом железных дорог, сколько их повивальной бабкой. Отец или акушерка, Джордж Стефенсон прославился благодаря скромному началу. Он родился в Виламе в Нортумберленде в 1781 году в семье неграмотных родителей из рабочего класса. Его отец работал на угольной шахте Уилам, как и молодой Джордж с раннего подросткового возраста. Он никогда не ходил в школу, но в 18 лет сам учился читать и писать (хотя письмо никогда не было его сильной стороной), а также получал базовые знания по арифметике.Он работал на различных угольных шахтах в этом районе в начале 1800-х годов, в том числе в Киллингворте к северу от Ньюкасла, и развил такие навыки работы с двигателями, что в 1812 году он был назначен «машинистом двигателя», или главным механиком, в Киллингворте. Там в 1814 году он построил локомотив под названием Blucher (часто пишется как Blutcher) в честь прусского генерала, который мог перевозить восемь фургонов с 30 тоннами угля со скоростью четыре мили в час. Не удовлетворившись этим, он вскоре значительно улучшил паровую систему двигателя, чтобы увеличить тяговую мощность.Именно это сделало Blucher первым полностью эффективным паровозом.

Стивенсон разработал усовершенствованный тип железнодорожных путей и построил больше локомотивов для Киллингворта и других угольных шахт. Он становился уважаемой фигурой и в 1821 году убедил бизнесмена, который планировал построить железную дорогу, запряженную лошадьми, из Стоктон-он-Тис в Дарлингтон в графстве Дарем, заказать паровоз для этой линии. В 1825 году двигатель, позже названный Locomotion , доставил 450 человек за 25 миль от Дарлингтона до Стоктона со скоростью 15 миль в час.Это был первый в мире общественный пассажирский паровоз. К 1830 году новый локомотив Стивенсона, Rocket , который мог развивать скорость 36 миль в час, работал на Ливерпульско-Манчестерской железной дороге в Ланкашире вместе с другими «железными конями», построенными на заводе, который он теперь открыл в Ньюкасле. Началась эпоха железных дорог, и Джордж Стефенсон был ее руководителем.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *