Паровой двигатель – машина, ускоряющая время . . .

Паровой двигатель – машина, ускоряющая время...

Предыстория современных паровых двигателей

Еще две с лишним тысячи лет назад, в III в. до нашей эры, великий греческий математик и механик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. В 215—212 гг. до н. э. римские корабли во время осады Сиракуз подверглись обстрелу из неизвестного орудия — паровой пушки архитронито, созданной ученым.

Примерно тремя столетиями позже в Александрии выдающийся ученый Герон создал Геронов шар — прообраз современных реактивных двигателей. 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.

Леонардо да Винчи задумывается над тем, как можно было бы использовать внутреннюю энергию пара. В его рукописи мы находим несколько рисунков с изображением цилиндра и поршня.

Примерно 100 лет спустя Джованни Бранка изобрел колесо с лопатками, в которое с силой ударяла струя пара, благодаря чему колесо начинало вращаться. Таким образом, по существу, была изобретена паровая турбина.

Первую паровую машину построил в 90-х годах XVII в. французский изобретатель Дени Папен. Его идея состояла в том, чтобы 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..

Более совершенную паровую машину построили английский кузнец Томас Ньюкомен со своим помощником Коули

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. Давление пара, подаваемого в цилиндр из котла, поднимало поршень. Впрыскивание холодной воды из резервуара осаждало пар и создавало в цилиндре вакуум. Атмосферное давление опускало поршень вниз. Охлаждающая вода и сконденсированный пар выпускались из цилиндра по трубе, а излишний пар из котла - через предохранительный клапан.

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.

Однако понадобилось еще 50 лет, чтобы универсальный двигатель был наконец построен. Произошло это сначала не в Англии, а в отсталой крепостной России, на одной из отдаленных ее окраин — Алтае.

В 1763 году механик Колывано-Воскресенских заводов Иван Ползунов разработал проект парового двигателя, универсального по своему применению. Двигатель Ползунова имел два цилиндра и общий вал, объединяющий работу цилиндров. Ранняя смерть изобретателя, а также недоверчивое отношение властей и обывателей помешало внедрению машины.

Машина эта, в отличии от всякого рода паровых насосов, находивших себе применение только при откачки воды, должна была обеспечить непрерывное действие и могла быть использована для любых работ. Месяцы кропотливейших расчётов, бессонный ночи, проведенные над чертежами,многочисленные схемы и опыты - и, наконец, грандиозная задача решена! В 1763году подал начальнику Колывано - Воскресенских заводов проект паровой машины.

Новый двигатель, в противовес громоздким деревянным водяным колёсам, должен целиком состоять из металла. Зная всю сложность предстоящей работы, Ползунов мечтал построить машину сначала «малым корпусом», то есть малого масштаба. Однако начальство приказало, чтобы он сразу же возводил крупную заводскую установку. И вот без всякой помощи, лишь с двумя юношами - учениками да несколькими чернорабочими, Ползунов начал постройку огромной, высотой с трёхэтажный дом, рабочий машины для обслуживания воздуходувки на десять плавильных печей. Подробные рабочие чертежи и исторические документы говорят нам об устройстве и работе этой паровой машины.

Вода разогревалась в котле, склёпанном из медных листов. Пар поступал через специальные распределительные устройства в два вертикальных трёхметровых цилиндра, поршни которых действовали на коромысла. Эти коромысла были связаны с мехами для поддува рудоплавильных печей, а так же с водяными насосами - распределителями и другим дополнительным оборудованием, необходимом для питания котла и для поддержания непрерывного действия машины. Великий механик добился того, все детали его машины постоянно «сами себя в движении держали». При постройке машины Ползунова проявил себя также и выдающимся теплотехником. Об этом говорит искусно придуманное автоматическое снабжение котла подогретой водой. К маю 1766 года строительство в основном было закончено. Но 27 мая, за несколько до пуска машины, который состоялся в августе, её гениальный создатель умер, надорванный непосильным трудом и нуждою. Машина начала работать уже без него. В течении 43 дней она исправно обслуживала дутьём рудоплавильные печи и не только полностью оправдала свою стоимость (7200 рублей), но и дала свыше 12000 рублей прибыли. Однако отсутствие опыта у преемников гениального изобретателя не замедлило сказаться. Полуграмотное начальство при устранении возникавших, естественно, неисправностей новой машины вводило свои кустарные «новшества». Так, чтобы уменьшить зазоры между поршнями и цилиндрами, поршни обернули берестой, в результате чего «бересто весьма ожесточилось, в логоватые места вода проходить чрезвычайно начала». Машина проработала, пока не стала из - за течи котла. Равнодушное к технической мысли начальство не позаботилось о починке машины. Её забросили!..

Создателем универсального парового двигателя, который получил широкое распространение, стал английский механик Джеймс Уатт.

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.

Пароходы

Одна из ранних зарегистрированных удачных попыток применения механической силы для движения судов состоялась в 1783 г. в Лионе во Франции. Баржеподобное судно длиной 45 м, оборудованное горизонтальной паровой машиной, приводившей в движение бортовые гребные колеса, оказалось способным передвигаться, и, что важно, против течения Роны. Это судно было удачно названо «Пироскаф» (от греч. «пирос» — огонь и «скафос»— судно), изобретатель и проектант этого судна Клод Жоффруа д'Аббан признан инициатором применения силы пара для движения судов.

Достаточно многочисленные попытки использования механической силы на судах были предприняты в США. В 1784 г. Джеймс Рамсей испытывал на р. Потомак паровую лодку длиной 24,4 м с водометным движителем, у которого сила, движущая лодку, создавалась выталкиваемой из него струей воды. Опыты Рамсея оказались не очень удачными.Американский стимбот «Эксперимент», открывший в 1787г. первое в мире регулярное пароходное сообщение

.Больший успех выпал на долю Джона Фитча. В 1787 г. его третья паровая лодка «Эксперимент» двигалась уже со скоростью 6,5 уз, но на ней был установлен... весельный движитель. Одноцилиндровая машина с диаметром цилиндра 55 см и огнетрубный паровой котел приводили в движение три весла в корме, выполненные в форме «утиной лапы», которые обеспечивали судну длиной 18 м сносную скорость. Лодка долгое время совершала регулярные рейсы по р. Делавэр от Филадельфии вниз по течению до Уилмингтона и вверх —до Трентона, но мало кто отваживался совершать путешествия на ней.

В том, что на лодке использовался «проверенный» весельный движитель, нет ничего необычного. Движитель такого типа применялся уже многие тысячи лет. В Англии, именовавшей себя тогда «нацией мореплавателей», первый пароход появился в 1788 г. Это двухкорпусное судно с двумя гребными колесами между ними было детищем Патрика Миллера и Уильяма Саймингтона. Судно плавало по шотландскому оз. Даллвингтону со скоростью 5 уз. Паровая машина его сохранилась и находится в лондонском Музее науки.

Не добившись успеха у себя на родине, Дж. Рамсей переезжает в Англию, где в 1792 г. строит паровую лодку «Колумбия Мэйд». В качестве движителя на ней снова использован водомет. Лодка могла развивать скорость 4 уз.

Паровозы

Ричард Тревитик построил первый в мире паровоз и успешно испытал его в 1804г.

1825 г. в Англии была открыта железная дорога общественного пользования.

В 1829 г. в Англии был проведен конкурс на лучший локомотив. Лучшим оказался локомотив «Ракета», построенный английским инженером Джорджем Стефенсоном. С его именем и связывают изобретение паровоза.

Модель первого российского паровоза, построенного механиками отцом и сыном Е. А. и М. Е. Черепановыми в 1833 г.

С момента изобретения было разработано большое количество различных разновидностей паровых машин с целью повышения мощности и эффективности. Тем не менее, они уступали по удельной мощности двигателям Отто и Дизеля. Двигатель Отто, изобретенный в 1877 году и двигатель Дизеля, изобретенный в 1893 имели более высокую удельную мощность, чем паровые машины того времени. Это привело к постепенному вытеснению их из промышленности. Во второй половине ХХ-го века выпуск паровых машин был прекращен.

Паровая турбина оказалась очень удобным двигателем для привода ротативных механизмов (генераторы электрического тока, насосы, воздуходувки) и судовых винтов; она была более быстроходной, компактной, лёгкой, экономичной и уравновешенной, чем поршневая паровая машина. Развитие паровых турбин шло чрезвычайно быстро как в направлении улучшения экономичности и повышения единичной мощности, так и по пути создания специализированных паровых турбин различного назначения.

Заключение

Основное достоинство паровой машины – ее относительная простота и хорошие тяговые характеристики независимо от скорости работы. Это позволяет обойтись без редуктора, что выгодно отличает такой двигатель от двигателя внутреннего сгорания, который на малых оборотах недодает мощность. Поэтому паровая машина очень удобна в качестве тягового двигателя, например, на паровозах. К серьезным недостаткам паровых машин относятся их низкий КПД, сравнительно невысокая максимальная скорость, большой вес и постоянный расход топлива и воды В прошлом паровые машины были по существу единственным первичным двигателем (если не считать водяного колеса), однако в 20 в. их вытеснили электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания, газовые и паровые турбины, обладающие более высокими КПД, а также большей компактностью, эффективностью и универсальностью применения

Дата добавления: 2015-08-27