СоХабр закрыт.
С 13.05.2019 изменения постов больше не отслеживаются, и новые посты не сохраняются.
| сохранено
H Паровые машины… и как появились «лошадиные силы» в черновиках Из песочницы
Здравствуйте.
Этой публикацией мне хочется начать цикл статей, посвящённых различным техническим достижениям минувших дней. Ведь так или иначе, но без них у нас не было бы высоких технологий. К примеру, современная АЭС является ничем иным, как атомной паровой машиной. Так же в статьях будут упоминаться имена Великих людей, плечи которых, держат современную Науку.
Исторические справки будут представлены в виде ссылок/спойлеров и комментариев.
Постараюсь быть лаконичным, уделить большое внимание техническим аспектам, соблюдать хронологический порядок и достоверность.
Статья состояла из двух частей (по техническим причинам) сейчас я их объединил и предыдущую убрал в черновики.
Приношу извинения за неудобства.
Начать хотелось с паровых машин…
Горизонтальная стационарная двухцилиндровая паровая машина для привода заводских трансмиссий.
Конец XIX в. Экспонат Музея Индустриальной Культуры. Нюрнберг
Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала.
Первое известное устройство (Эолипил (или «шар Эола»), «баня Герона»), приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии.
Пар, из нижнего резервуара, поступал по боковым трубкам в полость шара и вырываясь из дюз, закреплённых на шаре, заставлял его вращаться.
Рисунки из книги «The Century of Inventions» (1655) Edward Somerset
Первая паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, турецким астрономом, физиком и инженером XVI века Такиюддином аш-Шами. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти колеса.
Данная иллюстрация лишь описывает принцип
В интернетах пишут, что Саломон де Косс, в сочинении «Les Raisons des Forces Mouvantes avec Diverses Machines» (1615 год), описал машину основанную на упругости пара.
Вот, всё, что мне удалось найти в этом труде (равно как и в этом), относящееся к теме:
Шар, стоящий на костре, явно связан с давлением пара…
Саломон де Косс в окружении своих устройств...
В своих сочинениях, Саломон де Косс уделяет много внимания устроиствам работающим по принципу "водяных мельниц".
Вот тут можно почитать...
Итальянский инженер Джованни Бранка, в 1629 году предложил ипользовать пар для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах.
Большая часть пара рассеивалась в пустую...
Наш современник, испанский историк и инженер Nicolas Garcia Tapia,
пишет о том, что испанский изобретатель Jerónimo de Ayanz y Beaumont (годы жизни 1553-1613) построил в 1606 году паровое устройство для подъёма воды на высоту.
Эскиз и рукопись, принадлежат перу Йеронимо де Аянса.
Наглядное изображение машины де Аянса. Пар из котла (D) поступал через открытый кран в ёмкость (2) и выдавливал воду наверх. В то же время, ёмкость (1) наполнялась водой из ёмкости (В).После чего, открытые краны закрывались, закрытые наоборот открывались и теперь уже пар выдавливал воду из ёмкости (1), а ёмкость (2) наполнялась новой порцией воды. В котёл, воду доливали по мере надобности. Благодаря двум ёмкостям, (а не одной) достигалась равномерная работа.
Таким образом получалось поднять воду на определённую высоту, например на верхние этажи замка. Или лить воду на водяное колесо, а от колеса приводить что-то в движение. В последствии, Томас Севери при постройке своей машины, использовал работы де Аянса.
В 1655 году Эдвард Сомерсет в своей книге «The Century of Inventions» описал основной принцип действия паровых машин и спектр их применения. В замке Раглан, он установил устройство для подъема воды на стену большой башни.
Фердинанду Вербисту приписывают создание в 1670-е годы, первого в мире (вроде как игрушечного) паромобиля.
Не подтверждённая информация
Исаак Ньютон тоже не остался равнодушным, вот его взгляд на «реактивный» паромобиль:
Существует только этот рисунокили эскиз, если угодно
Следующим этапом развития паровых машин, было создание Дени Папеном в 1680-1690 году (данные расходятся), «поршневого» парового двигателя, который совершал полезную работу за счёт нагревания и конденсации пара. Это был принципиально новый проект парового двигателя. Конструкцию паровой машины (цилиндр и поршень) Дени Папену подсказал Лейбниц.
Вода в цилиндре при нагревании превращалась в пар и двигала поршень вверх, а при конденсации пара создавалось разреженное пространство и атмосферное давление двигало поршень вниз.
Двигатель Папена плохо выполнял полезную работу, так как не мог осуществить непрерывное действие. Чтобы заставить машину работать, необходимо было манипулировать стержнем-клапаном и стопором, перемещать источник пламени и охлаждать цилиндр водой.
Дени Папена принято считать изобретателем парового цилиндра, проложившего таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. (см. ниже)
2 июля 1698 года английский инженер Томас Севери, получил патент на изобретение «огневого двигателя», предназначенной для откачивания воды из рудников.
Машина Севери — это паровой насос, а не двигатель: в нем не было цилиндра с поршнем, который при своем перемещении приводил бы что-то в движение.
Самое важное в этом устройстве было то, что пар для работы насоса, образовывался в отдельном котле.
Происходило это так. В котле, который непрерывно топили, образовывался пар. Открывая кран на трубе, впускали пар в насосный резервуар. От него отходили две трубы: одна (всасывающая) опускалась в шахту, другая (нагнетательная) проходила в сточный желоб.
Когда в резервуар пускали пар, он начинал выталкивать имеющуюся в нем воду по нагнетательной трубе в сточный желоб. Затем подачу пара прекращали и по специальной трубке впускали в резервуар холодную воду. Пар конденсировался, превращаясь в воду, и занимал небольшой объем, то есть в резервуаре образовывался вакуум. Вода шахты вытеснялась атмосферным давлением, направлялась по всасывающей трубе в «пустой» резервуар.
Насос Севери был маломощным, потреблял много топлива и работал прерывисто. Тем не менее установка Севере помогла изобретателям понять, что в паровых машинах следует пользоваться паром из отдельного котла.
При открытии крана 5 пар из котла 2 подавался в сосуд 1, выгоняя оттуда воду по трубке 6. Клапан 10 при этом открыт, а клапан 11 закрыт. В конце нагнетания кран 5 закрывался, и через кран 9 в сосуд 1 подавалась холодная вода. Пар в сосуде 1 охлаждался, конденсировался, и давление падало, засасывая туда воду по трубке 12. Клапан 11 при этом открывался, а клапан 10 закрывался.
Широкого распространения эти устройства не получили.
К началу XVIII века в Англии возникли условия, при которых создание индустриальной техники стало выгодным. В 1705 году Томас Ньюкомен (совместив идеи Томаса Севери и Дени Папена) построил поршневой паровой насос, опыты по совершенствованию которого продолжались около десяти лет, пока он не начал исправно работать.
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 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.
(Нефтяной станок-качалка работает так же)
Таким образом, машина Ньюкомена была скорее пароатмосферной, чем чисто паровой, так как рабочий ход у нее осуществлялся не давлением пара, а именно атмосферным давлением.
Насосы Ньюкомена нашли применение в Англии и других европейских странах для откачивания воды из глубоких затопленных шахт. К 1800 году было произведино 1454 машины Ньюкомена, многие из которых оставались в эксплуатации до начала XX века.
С некоторыми доработками, машины Ньюкомена на протяжении 50 лет оставались единственными механизмами, пригодными для промышленного использования.
В 1766 году русский изобретатель Иван Иванович Ползунов, работая механиком на алтайских горнорудных и металургических заводах, создал первую в России паровую машину и первый в мире двухцилиндровый паровой двигатель.
Ползунов модернизировал машину Ньюкомена (для обеспечения непрерывной работы он задействовал два цилиндра, вместо одного) и предложил использовать её для привидения в движение мехов плавильных печей.
Принцип работы аналогичен машине Ньюкомена.
Когда в один из цилиндров наполненных паром, впрыскивали воду, пар конденсировался, и в цилиндре создавалось разряжение. Под действием атмосферного давления поршень начинал опускаться вниз и в этот момент, в другой цилиндр, находившийся в нижнем положении, начинал поступать пар, и он начинал двигаться вверх.
Подача воды и пара в цилиндры была полностью автоматизирована. Штоки поршней паровой машины были связаны между собой цепью. Цепь проходила через верхний шкив и при движении паровых цилиндров, шкив тоже приходил в движение. Движение шкива в свою очередь, через цепи, приводило в движение специальные стержни, основное назначение которых было управлять движением серповидного маятника. Именно серповидный маятник управлял попеременной подачей воды и пара в паровые цилиндры.
(машина Ползунова, как и машина Ньюкомена была пароатмосферной)
Макет паровой машины И.И. Ползунова, сделанный по оригинальным чертежам в 1820-е годы. Краеведческий музей Барнаула.
Cовершить же настоящую революцию в этой области, было суждено шотландскому инженеру и изобретателю Джеймсу Уатту.
Работая механиком университета Глазго, в 1765 году Джеймс Уатт, на основе модели машины Ньюкомена, собрал модель паровой машины с конденсатором.
В ~1768 году, на шахте горнозаводчика Джона Робака (Робак интересовался паровыми машинами и некоторое время финансировал Уатта ), была построена, большая модель машины Уатта, на которую он получил в 1769 году свой первый патент (в заявке на патент, Уатт определил свое изобретение как «новый метод уменьшения расхода пара, а следовательно, и топлива в огненных машинах»).
Все паровые машины того времени были атмосферного типа. Давлением пара поршень поднимался вверх (при этом сторона (S) балансира, опускалась под собственным весом), после этого пар в цилиндре охлаждался струёй воды, образовывался вакуум и поршень (под действием атмосферного давления) опускался вниз. Уатт сделал вывод, что мощность машин можно существенно увеличить, если использовать не атмосферное давление, а давление пара. Основная идея, отличающая машину Уатта от машины Ньюкомена, заключалась в изолированной камере для конденсации (охлаждения пара).
Благодоря тому, что в машине Уатта конденсатор(С) был отделён от рабочего цилиндра(Р) (теперь его не нужно было постоянно нагревать и охлаждать), удалось увеличить КПД.
Спустя некоторое время Джон Робак потерпел банкротство и новым компаньоном Уатта стал английский промышленник Мэттью Болтон. Приблизительно с 1775 года началась их совместная деятельность.
Болтон и Уатт обсуждают производство паровых машин на заводе в Сохо
Следующим шагом к усовершенствованию машины, была герметизация верхней части цилиндра и подача пара не только в нижнюю, но и в верхнюю часть
Так Уаттом и Болтоном, была построена паровая машина «двойного действия». С ~1776 года, машина стала выпускаться серийно.
В машине по-прежнему использовался вакуум, но пар, теперь подавался попеременно в обе полости цилиндра. Стенки цилиндра были теплоизолированы от внешней среды.
Машина Уатта хоть и стала эффективнее машины Ньюкомена, но КПД, всё ещё был черезвычайно низок (1-2%). Работала машина рывками и потому могла использоваться только как насос.
Чтобы паровая машина могла приводить в действие другие устройства, необходимо было приспособить колесо (в качестве маховика) и добиться равномерного вращения. Такой двигатель был разработан Уаттом в ~1781 году.
В первую очередь нужно было жёстко связать поршень и балансир (до этого момента использовались цепь или верёвка).
Уатт предполагал осуществлять передачу от поршня к балансиру с помощью зубчатой полосы, а на балансире поместить
Эта система оказалась ненадёжной и Уатт был вынужден от неё отказаться.
Колесо же, планировалось приводить в движение средствами
От использования «кривошипного механизма совместно с маховиком» тоже пришлось отказаться, эта система уже была запатентована (в 1780 году) Джеимсом Пикардом, предложившим Уатту кросс-лицензирование, но Уатт отказался от этого предложения. Чтобы избежать юридических трудностей, он использовал в своей машине планетарную передачу.
Двигатель Уатта (1788)
При создании машины с непрерывным вращательным движением, Уатту пришлось решать ряд нетривиальных задач (распределение пара по двум полостям цилиндра и автоматическая регулировка оборотов) и в последующие годы, он сделал много улучшений и изменений:
После всех этих усовершенствований Уатт построил вот такую машину.
Пар, с помощью золотника, попеременно подавался в разные полости цилиндра, а центробежный регулятор управлял клапаном подачи пара (если машина слишком разгонялась клапан прикрывался и наоборот открывался если слишком замедлялась).
Параллелограмм обеспечивал прямолинейный ход поршня.
Позже, когда истёк срок патента на кривошипный механизм, принадлежащий Джеимсу Пикарду, Уатт применил его на своей машине.
В 1784 году Уатт получил патент на универсальный по применению паровой двигатель (англ, патент № 1432).
Основываясь на трудах своих предшественников и благодаря собственному таланту, Уатту удалось создать «универсальный паровой двигатель» с непрерывным вращательным движением, который в течение долгого времени оставался неизменным и подвергался лишь частичным доработкам.
А дальше были…
Паровые игрушки…
Паровые велосипеды…
Паровые автомобили…
Паровые самолеты…
Пароходы…
Паровозы…
» An Early Experiment in Industrial Organisation
» JAMES WATT By Andrew Carnegie
» ENCYCLOPEDIA BRITANNICA
» Basalla, George (1988) The Evolution of Technology
» Burstall, Aubrey F. (1963) A History of Mechanical Engineering
» Много литературы
Очень хорошая книга М. Лесников «ДЖЕМС УАТТ»
На этом, пожалуй, всё. Всем спасибо за внимание.
Этой публикацией мне хочется начать цикл статей, посвящённых различным техническим достижениям минувших дней. Ведь так или иначе, но без них у нас не было бы высоких технологий. К примеру, современная АЭС является ничем иным, как атомной паровой машиной. Так же в статьях будут упоминаться имена Великих людей, плечи которых, держат современную Науку.
Исторические справки будут представлены в виде ссылок/спойлеров и комментариев.
Постараюсь быть лаконичным, уделить большое внимание техническим аспектам, соблюдать хронологический порядок и достоверность.
Статья состояла из двух частей (по техническим причинам) сейчас я их объединил и предыдущую убрал в черновики.
Приношу извинения за неудобства.
Начать хотелось с паровых машин…
Горизонтальная стационарная двухцилиндровая паровая машина для привода заводских трансмиссий.
Конец XIX в. Экспонат Музея Индустриальной Культуры. Нюрнберг
Паровая машина
Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала.
Первое известное устройство (Эолипил (или «шар Эола»), «баня Герона»), приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии.
Геро́н Александри́йский - Великий механник, программист, крутой шоумен и вообще занятный мужик
Герона относят к величайшим инженерам за всю историю человечества. Он первым изобрёл автоматические двери, автоматический театр кукол, автомат для продаж, скорострельный самозаряжающийся арбалет, автоматические декорации, прибор для измерения протяжённости дорог (древний одометр) и др. Первым начал создавать программируемые устройства (вал со штырьками с намотанной на него верёвкой).
В трактате «Пневматика» (Πνευματικά) Герон описал различные сифоны, хитроумно устроенные сосуды, автоматы, приводимые в движение сжатым воздухом или паром.
Годная киношка о том, как Герон, по заказу церковников «творил чудеса» (прихожане ликуют… и «сдают валюту») «Технологии др. цивилизаций. Герон Александрийский.»
В трактате «Пневматика» (Πνευματικά) Герон описал различные сифоны, хитроумно устроенные сосуды, автоматы, приводимые в движение сжатым воздухом или паром.
Годная киношка о том, как Герон, по заказу церковников «творил чудеса» (прихожане ликуют… и «сдают валюту») «Технологии др. цивилизаций. Герон Александрийский.»
Пар, из нижнего резервуара, поступал по боковым трубкам в полость шара и вырываясь из дюз, закреплённых на шаре, заставлял его вращаться.
Рисунки из книги «The Century of Inventions» (1655) Edward Somerset
Первая паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, турецким астрономом, физиком и инженером XVI века Такиюддином аш-Шами. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти колеса.
О Такиюддине Мухаммаде ибн Маруф аш-Шами аль-Асади
В 1574 году султан Османской империи Мурад III пригласил Такиюддина в Стамбул для постройки обсерватории. Обладая огромными познаниями в ремесленном деле, Такиюддин разработал инструменты для астрономических наблюдений, такие как огромные армиллярные и механические часы, которые использовал для наблюдения за кометой в 1577 году. Он также использовал европейский глобус звёздного неба и глобус Земли, которые были доставлены ко двору султана в качестве подарков. Одной из наиболее значимых его работ за время работы в обсерватории была Древо высшего познания в Царстве вращающихся сфер: астрономические таблица Царя царей [Мурад III] (Sidrat al-muntah al-afkar fi malkūt al-falak al-dawār- al-zij al-Shāhinshāhi). Данная работа являлась результатом астрономических наблюдений, которые были выполнены в Египте и Стамбуле для того, чтобы дополнить труд Улугбека «Зидж ас-Султани».
Согласно некоторым источникам той эпохи, метод Такиюддина для вычисления координат звёзд был, более точным, чем тот, что применялся Николаем Коперником и Браге Тихо.
Согласно некоторым источникам той эпохи, метод Такиюддина для вычисления координат звёзд был, более точным, чем тот, что применялся Николаем Коперником и Браге Тихо.
Данная иллюстрация лишь описывает принцип
В интернетах пишут, что Саломон де Косс, в сочинении «Les Raisons des Forces Mouvantes avec Diverses Machines» (1615 год), описал машину основанную на упругости пара.
Вот, всё, что мне удалось найти в этом труде (равно как и в этом), относящееся к теме:
Шар, стоящий на костре, явно связан с давлением пара…
Саломон де Косс в окружении своих устройств...
В своих сочинениях, Саломон де Косс уделяет много внимания устроиствам работающим по принципу "водяных мельниц".
Вот тут можно почитать...
Итальянский инженер Джованни Бранка, в 1629 году предложил ипользовать пар для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах.
Джованни Бранка
Джованни Бранка (Giovanni Branca, 22.04.1571 – 24.01.1645) – итальянский инженер и архитектор, более всего известный созданием одной из первых версий парового двигателя.
Джованни Бранка за свою жизнь сделал немало интересных изобретений. Коллекция разработанных им схем и чертежей была издана отдельной книгой, 'Le Machine'. В эту книгу вошли гравюры с описаниями на итальянском и латыни. Следует отметить, что Бранка честно признавался, что большинство описанных им приспособлений лично строить не пробовал и суть работы некоторых представляет лишь косвенно.
В 1629-м свет увидел еще один труд Джованни Бранки, 'Manuale d'Architettura'. Эта книга была посвящена различным практическим аспектам строительного дела. Для своего времени руководство это было довольно полезным и информативным – некоторые источники утверждают, что трудом Бранки активно пользовались многие архитекторы того времени.
Джованни Бранка за свою жизнь сделал немало интересных изобретений. Коллекция разработанных им схем и чертежей была издана отдельной книгой, 'Le Machine'. В эту книгу вошли гравюры с описаниями на итальянском и латыни. Следует отметить, что Бранка честно признавался, что большинство описанных им приспособлений лично строить не пробовал и суть работы некоторых представляет лишь косвенно.
В 1629-м свет увидел еще один труд Джованни Бранки, 'Manuale d'Architettura'. Эта книга была посвящена различным практическим аспектам строительного дела. Для своего времени руководство это было довольно полезным и информативным – некоторые источники утверждают, что трудом Бранки активно пользовались многие архитекторы того времени.
Большая часть пара рассеивалась в пустую...
Наш современник, испанский историк и инженер Nicolas Garcia Tapia,
пишет о том, что испанский изобретатель Jerónimo de Ayanz y Beaumont (годы жизни 1553-1613) построил в 1606 году паровое устройство для подъёма воды на высоту.О де Аянсе
Йеронимо де Аянс был военным, художником, космографом, музыкантом и прежде всего изобретателем. (обладатель «привилегий на изобретения» (патент — по нынешнему) на 48 устройств, подписанный Филиппом III).
Занимался разработкой научных приборов, металлических роликов для ветряных мельниц, металлургических печей, водолазного колокола и гидрокостюма (2 августа 1602 года, он погружался в этом гидрокостюме в реку Писуэрга и пробыл под водой в течение часа), подводной лодки, а также арочных плотин, точных весов (в документах говорится о том, что он мог взвесить муху), дистиллятора, поршневых насосов и т.д.
Вот тут можно почитать...
Занимался разработкой научных приборов, металлических роликов для ветряных мельниц, металлургических печей, водолазного колокола и гидрокостюма (2 августа 1602 года, он погружался в этом гидрокостюме в реку Писуэрга и пробыл под водой в течение часа), подводной лодки, а также арочных плотин, точных весов (в документах говорится о том, что он мог взвесить муху), дистиллятора, поршневых насосов и т.д.
Вот тут можно почитать...
Чуть-чуть иллюстраций
Подводная лодка… (в прямом смысле слова)
Подводная лодка… (в прямом смысле слова)
Эскиз и рукопись, принадлежат перу Йеронимо де Аянса.
Наглядное изображение машины де Аянса. Пар из котла (D) поступал через открытый кран в ёмкость (2) и выдавливал воду наверх. В то же время, ёмкость (1) наполнялась водой из ёмкости (В).После чего, открытые краны закрывались, закрытые наоборот открывались и теперь уже пар выдавливал воду из ёмкости (1), а ёмкость (2) наполнялась новой порцией воды. В котёл, воду доливали по мере надобности. Благодаря двум ёмкостям, (а не одной) достигалась равномерная работа.
Таким образом получалось поднять воду на определённую высоту, например на верхние этажи замка. Или лить воду на водяное колесо, а от колеса приводить что-то в движение. В последствии, Томас Севери при постройке своей машины, использовал работы де Аянса.
В 1655 году Эдвард Сомерсет в своей книге «The Century of Inventions» описал основной принцип действия паровых машин и спектр их применения. В замке Раглан, он установил устройство для подъема воды на стену большой башни.
Замок
Еще в 19-м веке можно было увидеть углубления в стене, где располагалась машина…
Еще в 19-м веке можно было увидеть углубления в стене, где располагалась машина…
Фердинанду Вербисту приписывают создание в 1670-е годы, первого в мире (вроде как игрушечного) паромобиля.
Не подтверждённая информация
Исаак Ньютон тоже не остался равнодушным, вот его взгляд на «реактивный» паромобиль:
Существует только этот рисунок
Следующим этапом развития паровых машин, было создание Дени Папеном в 1680-1690 году (данные расходятся), «поршневого» парового двигателя, который совершал полезную работу за счёт нагревания и конденсации пара. Это был принципиально новый проект парового двигателя. Конструкцию паровой машины (цилиндр и поршень) Дени Папену подсказал Лейбниц.
Коротко о Дени Папене
Папен родился во французском городе Блуа в 1647 году. В Университете Анже он изучал медицину и получил степень доктора. Но врачом Папен не стал. Во многом его судьбу предопределила встреча с голландским физиком Х. Гюйгенсом, под влиянием которого Папен начал изучать физику и механику. В 1688 году он опубликовал со своими конструктивными дополнениями описание представленного Гюйгенсом в Парижскую академию наук проекта порохового двигателя в форме цилиндра с поршнем.
Папен также предложил конструкцию центробежного насоса, сконструировал печь для плавки стекла, паровую повозку и подводную лодку, изобрёл скороварку и несколько машин для подъёма воды.
Папен также предложил конструкцию центробежного насоса, сконструировал печь для плавки стекла, паровую повозку и подводную лодку, изобрёл скороварку и несколько машин для подъёма воды.
Вода в цилиндре при нагревании превращалась в пар и двигала поршень вверх, а при конденсации пара создавалось разреженное пространство и атмосферное давление двигало поршень вниз.
Двигатель Папена плохо выполнял полезную работу, так как не мог осуществить непрерывное действие. Чтобы заставить машину работать, необходимо было манипулировать стержнем-клапаном и стопором, перемещать источник пламени и охлаждать цилиндр водой.
Дени Папена принято считать изобретателем парового цилиндра, проложившего таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. (см. ниже)
2 июля 1698 года английский инженер Томас Севери, получил патент на изобретение «огневого двигателя», предназначенной для откачивания воды из рудников.
Машина Севери — это паровой насос, а не двигатель: в нем не было цилиндра с поршнем, который при своем перемещении приводил бы что-то в движение.
Самое важное в этом устройстве было то, что пар для работы насоса, образовывался в отдельном котле.
Происходило это так. В котле, который непрерывно топили, образовывался пар. Открывая кран на трубе, впускали пар в насосный резервуар. От него отходили две трубы: одна (всасывающая) опускалась в шахту, другая (нагнетательная) проходила в сточный желоб.
Когда в резервуар пускали пар, он начинал выталкивать имеющуюся в нем воду по нагнетательной трубе в сточный желоб. Затем подачу пара прекращали и по специальной трубке впускали в резервуар холодную воду. Пар конденсировался, превращаясь в воду, и занимал небольшой объем, то есть в резервуаре образовывался вакуум. Вода шахты вытеснялась атмосферным давлением, направлялась по всасывающей трубе в «пустой» резервуар.
Насос Севери был маломощным, потреблял много топлива и работал прерывисто. Тем не менее установка Севере помогла изобретателям понять, что в паровых машинах следует пользоваться паром из отдельного котла.
Небольшая справка
Предположительно, самый первый «огневой двигатель» Томас Сэвери установил на шахте Вил Вор (Wheal Vor) на южном побережье Корнуолла, недалеко от деревни Карлин (Carleen), расположенной примерно в 2 милях к северо-западу от Хэлстона (Helston).
В 1717-18 году «огневой двигатель» по указу царя Петра I был установлен в Санкт-Петербурге для снабжения водой около 50 фонтанов Летнего сада. Руководил изготовлением и установкой Жан Теофиль Дезагулье, француз по происхождению, ставший священником довольно высокого ранга в Англии и главой первой английской масонской ложи. Вот как об этом пишет сам Дезагулье:
«Начиная с 1717 или 1718 года, я построил семь усовершенствованных огневых двигателей. Первый — для покойного Царя Петра Первого, для его сада в Петербурге.»
Машина поднимала воду на высоту 3 м от поверхности земли. Производительность ее была 3 бочки в минуту.
В 1717-18 году «огневой двигатель» по указу царя Петра I был установлен в Санкт-Петербурге для снабжения водой около 50 фонтанов Летнего сада. Руководил изготовлением и установкой Жан Теофиль Дезагулье, француз по происхождению, ставший священником довольно высокого ранга в Англии и главой первой английской масонской ложи. Вот как об этом пишет сам Дезагулье:
«Начиная с 1717 или 1718 года, я построил семь усовершенствованных огневых двигателей. Первый — для покойного Царя Петра Первого, для его сада в Петербурге.»
Машина поднимала воду на высоту 3 м от поверхности земли. Производительность ее была 3 бочки в минуту.
При открытии крана 5 пар из котла 2 подавался в сосуд 1, выгоняя оттуда воду по трубке 6. Клапан 10 при этом открыт, а клапан 11 закрыт. В конце нагнетания кран 5 закрывался, и через кран 9 в сосуд 1 подавалась холодная вода. Пар в сосуде 1 охлаждался, конденсировался, и давление падало, засасывая туда воду по трубке 12. Клапан 11 при этом открывался, а клапан 10 закрывался.
Широкого распространения эти устройства не получили.
Переворот же в технику принесли поршневые паровые машины
К началу XVIII века в Англии возникли условия, при которых создание индустриальной техники стало выгодным. В 1705 году Томас Ньюкомен (совместив идеи Томаса Севери и Дени Папена) построил поршневой паровой насос, опыты по совершенствованию которого продолжались около десяти лет, пока он не начал исправно работать.
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 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.
(Нефтяной станок-качалка работает так же)
Таким образом, машина Ньюкомена была скорее пароатмосферной, чем чисто паровой, так как рабочий ход у нее осуществлялся не давлением пара, а именно атмосферным давлением.
Насосы Ньюкомена нашли применение в Англии и других европейских странах для откачивания воды из глубоких затопленных шахт. К 1800 году было произведино 1454 машины Ньюкомена, многие из которых оставались в эксплуатации до начала XX века.
С некоторыми доработками, машины Ньюкомена на протяжении 50 лет оставались единственными механизмами, пригодными для промышленного использования.
В 1766 году русский изобретатель Иван Иванович Ползунов, работая механиком на алтайских горнорудных и металургических заводах, создал первую в России паровую машину и первый в мире двухцилиндровый паровой двигатель.
Ползунов модернизировал машину Ньюкомена (для обеспечения непрерывной работы он задействовал два цилиндра, вместо одного) и предложил использовать её для привидения в движение мехов плавильных печей.
Принцип работы аналогичен машине Ньюкомена.
Когда в один из цилиндров наполненных паром, впрыскивали воду, пар конденсировался, и в цилиндре создавалось разряжение. Под действием атмосферного давления поршень начинал опускаться вниз и в этот момент, в другой цилиндр, находившийся в нижнем положении, начинал поступать пар, и он начинал двигаться вверх.
Подача воды и пара в цилиндры была полностью автоматизирована. Штоки поршней паровой машины были связаны между собой цепью. Цепь проходила через верхний шкив и при движении паровых цилиндров, шкив тоже приходил в движение. Движение шкива в свою очередь, через цепи, приводило в движение специальные стержни, основное назначение которых было управлять движением серповидного маятника. Именно серповидный маятник управлял попеременной подачей воды и пара в паровые цилиндры.
(машина Ползунова, как и машина Ньюкомена была пароатмосферной)
Макет паровой машины И.И. Ползунова, сделанный по оригинальным чертежам в 1820-е годы. Краеведческий музей Барнаула.
Грустная справка
В России того времени, паровые машины практически не использовались и всю информацию Ползунов получил из книги “Обстоятельное наставление рудному делу” (1760) за авторством Шлаттера И.А., в которой описывалась паровая машина Ньюкомена.
О проекте было доложено императрице Екатерине Второй. Она одобрила его, распорядилась произвести И.И.Ползунова в «механикусы с чином и званием инженерного капитан-поручика» и наградить 400 рублями…
Ползунов предлагал построить вначале небольшую машину, на которой можно было бы выявить и устранить все недостатки, неизбежные в новом изобретении. Заводское начальство с этим не согласилось и решило строить сразу огромную машину. В апреле 1764 г. Ползунов приступил к строительству.
Весной 1766 года, строительство в основном было закончено и проведены испытания.
Но 27 мая Ползунов умер от чахотки.
Его ученики Левзин и Черницын одни приступили к последним испытаниям паровой машины. В «Дневной записке» от 4 июля было отмечено «исправное машинное действие», а 7 августа 1766 г. вся установка, паровая машина и мощная воздуходувка, была сдана в эксплуатацию. Всего за три месяца работы машина Ползунова не только оправдала все затраты на её постройку в сумме 7233 рублей 55 копеек, но и дала чистую прибыль в 12640 рублей 28 копеек. Однако, 10 ноября 1766 г. после того, как у машины перегорел котел, она простояла без действия 15 лет 5 месяцев и 10 дней. В 1782 г. машина была разобрана.
(Энциклопедия Алтайского края. Барнаул. 1996. Т. 2. С. 281-282; Барнаул. Летопись города. Барнаул. 1994. ч. 1.с.30).
О проекте было доложено императрице Екатерине Второй. Она одобрила его, распорядилась произвести И.И.Ползунова в «механикусы с чином и званием инженерного капитан-поручика» и наградить 400 рублями…
Ползунов предлагал построить вначале небольшую машину, на которой можно было бы выявить и устранить все недостатки, неизбежные в новом изобретении. Заводское начальство с этим не согласилось и решило строить сразу огромную машину. В апреле 1764 г. Ползунов приступил к строительству.
Весной 1766 года, строительство в основном было закончено и проведены испытания.
Но 27 мая Ползунов умер от чахотки.
Его ученики Левзин и Черницын одни приступили к последним испытаниям паровой машины. В «Дневной записке» от 4 июля было отмечено «исправное машинное действие», а 7 августа 1766 г. вся установка, паровая машина и мощная воздуходувка, была сдана в эксплуатацию. Всего за три месяца работы машина Ползунова не только оправдала все затраты на её постройку в сумме 7233 рублей 55 копеек, но и дала чистую прибыль в 12640 рублей 28 копеек. Однако, 10 ноября 1766 г. после того, как у машины перегорел котел, она простояла без действия 15 лет 5 месяцев и 10 дней. В 1782 г. машина была разобрана.
(Энциклопедия Алтайского края. Барнаул. 1996. Т. 2. С. 281-282; Барнаул. Летопись города. Барнаул. 1994. ч. 1.с.30).
Cовершить же настоящую революцию в этой области, было суждено шотландскому инженеру и изобретателю Джеймсу Уатту.
Работая механиком университета Глазго, в 1765 году Джеймс Уатт, на основе модели машины Ньюкомена, собрал модель паровой машины с конденсатором. В ~1768 году, на шахте горнозаводчика Джона Робака (Робак интересовался паровыми машинами и некоторое время финансировал Уатта ), была построена, большая модель машины Уатта, на которую он получил в 1769 году свой первый патент (в заявке на патент, Уатт определил свое изобретение как «новый метод уменьшения расхода пара, а следовательно, и топлива в огненных машинах»).
Суть патента
В патенте (№ 013) излагался ряд новых технич. положений, использованных Уаттом в своём двигателе:
1) Поддержание температуры стенок цилиндра равной, температуре поступающего в него пара за счёт тепловой изоляции, паровой рубашки
и отсутствия контакта с холодными телами.
2) Конденсация пара в отдельном сосуде — конденсаторе, температура в к-ром должна была поддерживаться на уровне окружающей среды.
3) Удаление из конденсатора воздуха и других неконденсирующихся тел посредством насосов.
4) Применение избыточного давления пара; в случаях недостатка воды для конденсации пара применение только избыточного давления с выхлопом в атмосферу.
5) Применение «коловратных» машин с однонаправленно вращающимся поршнем.
6) Работа с неполной конденсацией (т. е. с ухудшенным вакуумом). В этом же пункте патента описаны конструкции уплотнения поршня и отдельных деталей. При применявшихся в то время давлениях пара в 1 атм введение отдельного конденсатора и откачка воздуха из него означали реальную возможность снижения расхода пара и топлива более чем вдвое.
1) Поддержание температуры стенок цилиндра равной, температуре поступающего в него пара за счёт тепловой изоляции, паровой рубашки
и отсутствия контакта с холодными телами.
2) Конденсация пара в отдельном сосуде — конденсаторе, температура в к-ром должна была поддерживаться на уровне окружающей среды.
3) Удаление из конденсатора воздуха и других неконденсирующихся тел посредством насосов.
4) Применение избыточного давления пара; в случаях недостатка воды для конденсации пара применение только избыточного давления с выхлопом в атмосферу.
5) Применение «коловратных» машин с однонаправленно вращающимся поршнем.
6) Работа с неполной конденсацией (т. е. с ухудшенным вакуумом). В этом же пункте патента описаны конструкции уплотнения поршня и отдельных деталей. При применявшихся в то время давлениях пара в 1 атм введение отдельного конденсатора и откачка воздуха из него означали реальную возможность снижения расхода пара и топлива более чем вдвое.
Как всё начиналось...
Зимой 1763 года к Уатту обратился профессор физики Джон Андерсон с просьбой наладить
Макет был оснащен цилиндром (диаметр 5 см) с рабочим ходом 15 см. Уатт провел ряд экспериментов, в частности, заменил металлический цилиндр на деревянный, смазанный льняным маслом и высушенный в печи, уменьшил количество поднимаемой за один цикл воды и макет, наконец, заработал. При этом Уатт убедился в неэффективности машины.
В каждом новом цикле часть энергии пара постоянно тратилась на нагрев цилиндра, так как на следующем такте в цилиндр впрыскивалась холодная вода (чтоб сконденсировать пар).
Проведя ряд опытов с кипящей водой, Уатт пришёл к выводу:
«…Для того чтобы сделать совершенную паровую машину, необходимо, чтобы цилиндр был всегда горяч, как и входящий в него пар; но с другой стороны, конденсация пара для образования вакуума должна была происходить при температуре не выше 30 градусов Реомюра» (38 по Цельсию).
модель паровой машины Ньюкомена.
Модель машины Ньюкомена, с которой экспериментировал Уатт
Модель машины Ньюкомена, с которой экспериментировал Уатт
Макет был оснащен цилиндром (диаметр 5 см) с рабочим ходом 15 см. Уатт провел ряд экспериментов, в частности, заменил металлический цилиндр на деревянный, смазанный льняным маслом и высушенный в печи, уменьшил количество поднимаемой за один цикл воды и макет, наконец, заработал. При этом Уатт убедился в неэффективности машины.
В каждом новом цикле часть энергии пара постоянно тратилась на нагрев цилиндра, так как на следующем такте в цилиндр впрыскивалась холодная вода (чтоб сконденсировать пар).
Проведя ряд опытов с кипящей водой, Уатт пришёл к выводу:
«…Для того чтобы сделать совершенную паровую машину, необходимо, чтобы цилиндр был всегда горяч, как и входящий в него пар; но с другой стороны, конденсация пара для образования вакуума должна была происходить при температуре не выше 30 градусов Реомюра» (38 по Цельсию).
Все паровые машины того времени были атмосферного типа. Давлением пара поршень поднимался вверх (при этом сторона (S) балансира, опускалась под собственным весом), после этого пар в цилиндре охлаждался струёй воды, образовывался вакуум и поршень (под действием атмосферного давления) опускался вниз. Уатт сделал вывод, что мощность машин можно существенно увеличить, если использовать не атмосферное давление, а давление пара. Основная идея, отличающая машину Уатта от машины Ньюкомена, заключалась в изолированной камере для конденсации (охлаждения пара).
Благодоря тому, что в машине Уатта конденсатор(С) был отделён от рабочего цилиндра(Р) (теперь его не нужно было постоянно нагревать и охлаждать), удалось увеличить КПД.
Спустя некоторое время Джон Робак потерпел банкротство и новым компаньоном Уатта стал английский промышленник Мэттью Болтон. Приблизительно с 1775 года началась их совместная деятельность.
Болтон и Уатт обсуждают производство паровых машин на заводе в Сохо
Что характерно...
Следующим шагом к усовершенствованию машины, была герметизация верхней части цилиндра и подача пара не только в нижнюю, но и в верхнюю часть
цилиндра.
Сложность изготовления большого цилиндра с плотно пригнанным поршнем, была решена Джоном Уилкинсоном, который разрабатывал станки для изготовления пушечных стволов.
Так Уаттом и Болтоном, была построена паровая машина «двойного действия». С ~1776 года, машина стала выпускаться серийно.
В машине по-прежнему использовался вакуум, но пар, теперь подавался попеременно в обе полости цилиндра. Стенки цилиндра были теплоизолированы от внешней среды.
Машина Уатта хоть и стала эффективнее машины Ньюкомена, но КПД, всё ещё был черезвычайно низок (1-2%). Работала машина рывками и потому могла использоваться только как насос.
Чтобы паровая машина могла приводить в действие другие устройства, необходимо было приспособить колесо (в качестве маховика) и добиться равномерного вращения. Такой двигатель был разработан Уаттом в ~1781 году.
В первую очередь нужно было жёстко связать поршень и балансир (до этого момента использовались цепь или верёвка). Уатт предполагал осуществлять передачу от поршня к балансиру с помощью зубчатой полосы, а на балансире поместить
зубчатый сектор.
Эта система оказалась ненадёжной и Уатт был вынужден от неё отказаться.
Колесо же, планировалось приводить в движение средствами
кривошипного механизма.
От использования «кривошипного механизма совместно с маховиком» тоже пришлось отказаться, эта система уже была запатентована (в 1780 году) Джеимсом Пикардом, предложившим Уатту кросс-лицензирование, но Уатт отказался от этого предложения. Чтобы избежать юридических трудностей, он использовал в своей машине планетарную передачу.
Двигатель Уатта (1788)
При создании машины с непрерывным вращательным движением, Уатту пришлось решать ряд нетривиальных задач (распределение пара по двум полостям цилиндра и автоматическая регулировка оборотов) и в последующие годы, он сделал много улучшений и изменений:
Параллелограмм Уатта
Механизм Уатта был изобретён для придания тяге поршня прямолинейного движения.
Уатт очень гордился этим изобретением и упоминал об этом в своём письме сыну.
Справедливости ради надо сказать, что этот механизм не создавал абсолютно прямолинейного движения.
Паровой двигатель построенный по патенту Джеймса Уатта в 1848 году в Фрайберге в Германии.
Большое фото
Это принцип и по сей день применяется на некоторых современных автомобилях для удерживания заднего моста.
Уатт очень гордился этим изобретением и упоминал об этом в своём письме сыну.
Справедливости ради надо сказать, что этот механизм не создавал абсолютно прямолинейного движения.
Паровой двигатель построенный по патенту Джеймса Уатта в 1848 году в Фрайберге в Германии.
Большое фото
Это принцип и по сей день применяется на некоторых современных автомобилях для удерживания заднего моста.
Дроссельный клапан
Дроссельный клапан применялся для управления мощностью двигателя, путём регулирования количества поступающего пара в цилиндр.
Центробежный регулятор
Принцип действия центробежного регулятора простой — чем быстрее крутится вал, тем выше расходятся грузы под действием центробежной силы и тем сильнее перекрывается паропровод. Грузы опускаются — паропровод открывается. Уатт адаптировал регулятор для паровой машины.
Золотник
Для подачи пара в разные полости цилиндра, Уатт использовал автоматически действующий золотник.
Коробчатый золотник представляет собой перевёрнутую коробку 1, попеременно перемещаемую золотниковой тягой 2 вправо и влево по золотниковому зеркалу 3 с прямоугольными окнами 4 и 5. В зависимости от положения золотника, окна сообщаются или с замкнутым пространством 6, окружающим золотник и заполненным рабочим телом, или с полостью 7, соединённой с атмосферой.
Коробчатый золотник представляет собой перевёрнутую коробку 1, попеременно перемещаемую золотниковой тягой 2 вправо и влево по золотниковому зеркалу 3 с прямоугольными окнами 4 и 5. В зависимости от положения золотника, окна сообщаются или с замкнутым пространством 6, окружающим золотник и заполненным рабочим телом, или с полостью 7, соединённой с атмосферой.
После всех этих усовершенствований Уатт построил вот такую машину.
Пар, с помощью золотника, попеременно подавался в разные полости цилиндра, а центробежный регулятор управлял клапаном подачи пара (если машина слишком разгонялась клапан прикрывался и наоборот открывался если слишком замедлялась).
Параллелограмм обеспечивал прямолинейный ход поршня.
Позже, когда истёк срок патента на кривошипный механизм, принадлежащий Джеимсу Пикарду, Уатт применил его на своей машине.
В 1784 году Уатт получил патент на универсальный по применению паровой двигатель (англ, патент № 1432).
цитата из БСЭ
Универсальный двигатель Уатта благодаря его экономичности получил широкое распространение и сыграл большую роль в переходе к капиталистическому машинному производству. «Великий гений Уатта,— писал К. Маркс,— обнаруживается в том, что патент, взятый им в апреле 1784 г., давая описание паровой машины, изображает её не как изобретение лишь для особых целей, но как универсальный двигатель крупной промышленности» (Маркс К., Капитал, т. 1,1955, стр. 383—384).
Только завод Уатта и Болтона к 1800 году построил св. 250 паровых машин, а к 1826 в Англии насчитывалось до 1500 машин с общей мощностью ок. 80000 л.с. За редким исключением это были машины уаттов-ского типа. После 1784 года Уатт занимался главным образом улучшением производства, а после 1800 года и вовсе отошёл от дел.
Только завод Уатта и Болтона к 1800 году построил св. 250 паровых машин, а к 1826 в Англии насчитывалось до 1500 машин с общей мощностью ок. 80000 л.с. За редким исключением это были машины уаттов-ского типа. После 1784 года Уатт занимался главным образом улучшением производства, а после 1800 года и вовсе отошёл от дел.
Основываясь на трудах своих предшественников и благодаря собственному таланту, Уатту удалось создать «универсальный паровой двигатель» с непрерывным вращательным движением, который в течение долгого времени оставался неизменным и подвергался лишь частичным доработкам.
А дальше были…
Паровые игрушки…
Паровые велосипеды…
Паровые автомобили…
Паровые самолеты…
Пароходы…
Паровозы…
Лошадиная сила...
Для измерения мощности паровых машин, Уатт 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.
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.
Патенты
Здесь написано, что патент на «использование кривошипного механизма совместно с маховиком» принадлежал Джеймсу Тибериусу Кирку Пикарду.
А здесь, что изобретателем кривошипного механизма является Уильям Мердок.
Непонятная ситуация и с «планетарной передачей», то ли Пикард её придумал/запатентовал, то ли Мердок, то ли ещё кто-то. Хотя на самом деле вот, а истина где-то рядом…
Вообще с патентами у них там целая карусель, в которой принимал участие сын Уатта, Джеймс Уатт младший, утверждающий, что «всё на свете» придумал его отец.
Разбиратьсяв этом болоте несимметричных формул кто, кому должен, мне, уж извините, совершенно не интересно.
А здесь, что изобретателем кривошипного механизма является Уильям Мердок.
Непонятная ситуация и с «планетарной передачей», то ли Пикард её придумал/запатентовал, то ли Мердок, то ли ещё кто-то. Хотя на самом деле вот, а истина где-то рядом…
Вообще с патентами у них там целая карусель, в которой принимал участие сын Уатта, Джеймс Уатт младший, утверждающий, что «всё на свете» придумал его отец.
Разбираться
Ссылки
» An Early Experiment in Industrial Organisation
» JAMES WATT By Andrew Carnegie
» ENCYCLOPEDIA BRITANNICA
» Basalla, George (1988) The Evolution of Technology
» Burstall, Aubrey F. (1963) A History of Mechanical Engineering
» Много литературы
Очень хорошая книга М. Лесников «ДЖЕМС УАТТ»
На этом, пожалуй, всё. Всем спасибо за внимание.
+41
7471
комментарии (18)