СоХабр закрыт.

С 13.05.2019 изменения постов больше не отслеживаются, и новые посты не сохраняются.

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


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





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



Данная иллюстрация лишь описывает принцип



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





В книге «The Century of Inventions», упоминается об этом устройстве...


Большая часть пара рассеивалась в пустую...



Наш современник, испанский историк и инженер Nicolas Garcia Tapia,

в своей книге 'JERONIMO DE AYANZ Y BEAUMONT'

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


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




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 это рисунок или 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.

Коротко о Дени Папене




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 котла, 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




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 1763 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




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»).

Как всё начиналось...

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.

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 и в последующие годы, он сделал много улучшений и изменений:

Параллелограмм Уатта

Дроссельный клапан

Центробежный регулятор

Золотник

После всех этих усовершенствований Уатт построил вот такую машину.

Кривошипный механизм был заменён планетарной передачей, а зубчатая рейка и зубчатый балансир «параллелограммом Уатта».
Позже, когда истёк срок патента на кривошипный механизм, принадлежащий Джеимсу Пикарду, Уатт применил его на своей машине…


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.



С этого момента Технический Прогресс, так долго и мучительно прокладывающий себе путь сквозь бездну столетий, расправил могучие плечи и устремился в Будущее!!!


… А дальше были...
Паровые игрушки…
Паровые велосипеды…
Паровые автомобили…
Паровые самолеты…
Пароходы…
Паровозы…
Паровая турбина…

Лошадиная сила...

Патенты

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

На этом, пожалуй, всё. Всем спасибо за внимание.

комментарии (18)

+1
blare ,  
Подумал, что прикольно было бы, если б по аналогии с метрами и футами была бы разница и в этом. В России были бы медвежьи силы, в США лошадиные, в Индии слоновьи, а в Египте верблюжьи, в древнем Египте рабские силы.
0
ArSoron ,  
Ну вообще-то дело почти так и обстоит. Согласно Википедии, помимо метрического ватта для измерения мощности применяют метрическую, механическую, электрическую и котловую лошадиную силу.
+1
igordata ,  
Никогда не думал, что бывает столько и настолько разных лошадей. Будто в Эквестрии живём…
+3
ploop ,  
Блин, и тут патенты затормозили прогресс! Благо не на долго.
+1
starikstd ,   * (был изменён)
Не только патенты, изобретатели очень часто подвергались гонениям и насилию со стороны простых людей.
–1
JDima ,  
Из-за того, что кривошипный механизм был запатентован, Уатту пришлось изобрести новую схему. Именно для такого и придумывали патенты. В каком месте там торможение прогресса, если в итоге было изобретено два варианта решения задачи вместо одного?
+1
ploop ,  
Ничего там нового изобретено не было, просто был обойдён патент за счёт усложнения конструкции. Планетарный механизм был известен до этого.
0
JDima ,  
Ну если так, то может быть.
0
starikstd ,  
Уатту пришлось изобрести новую схему

Уатт не изобретал планетарную передачу, он её применил.
0
ploop ,  
Не подумайте, я ни в коем случае не против патентов, просто способы их применения в некоторых случаях лишь мешают.
0
starikstd ,   * (был изменён)
Любопытно то, что другие люди стали строить свои машины игнорируя патенты Уатта.
Вот тут, раздел «Патентные исследования».
+3
hungry_ewok ,  
Да-да, если запатентовать круглое колесо — необходимость изобретать квадратные колеса невероятно подтолкнет прогресс!
0
MichaelBorisov ,  
Очень хороший обзор. Но как же, автор, вы обошли вниманием основополагающую работу Сади Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу»?

Далее, упоминая о механизмах типа «Параллелограмм», вы обошли вниманием работу П.Л. Чебышева «Теория механизмов, известных под названием параллелограммов», в которой Чебышев, решая задачу «оптимизации» параллелограммов, между делом открыл полиномы, носящие его имя (полиномы Чебышева). Они широко используются в современной науке и технике.
0
starikstd ,  
вы обошли вниманием основополагающую работу

Основополагающими были паровые машины, они и послужили толчком к развитию термодинамики. Очень хотелось повысить КПД паровых машин.
Даже компаунд-машины были изобретены в 18 веке, до появления термодинамики.
Карно написал своё сочинение, только в 1824 году, а мой рассказ закончился в 18 веке.

Чебышев опубликовал свою статью «Теория механизмов, известных под названием параллелограммов» только в середине 19 века. Из чего следует, что он не имеет никакого отношения к истории создания паровых машин.

Свой «Параллелограмм» Уатт придумал из-за патента на кривошип. Как только патент закончился, Уатт отказался от параллелограмма.
0
MichaelBorisov ,  
Соглашусь. Действительно, вначале возникли паровые машины, а только потом — термодинамика. Быть может, с тех времен идет чрезмерное почитание изобретательства. Тогда действительно изобретались машины, и эта деятельность простиралась за горизонтом фундаментальной науки. Шутка ли — создать паровую машину без термодинамики!

Теперь все происходит совершенно иначе. В науке делаются открытия, какое-то время они пылятся на библиотечных полках, и только потом инженеры доходят до этих трудов и пытаются их как-то применить на практике. Все современное «изобретательство» стоит на прочном фундаменте естественных наук. В принципе это правильно, но «изобретатели» получают свои лавры не так заслуженно, как в те времена, когда изобретались паровые машины и параллелограммы.

Но даже работа Карно была, скажем так, далека от современной термодинамики. Она именно что является размышлениями, догадками, гипотезами. Многие из них оказались верными, но в самой работе доказательств этому не приводилось. Тогда не было открыто даже уравнение Менделеева-Клапейрона, а ведь оно такое простое. Если почитать оригинал Карно — то диву даешься, что тогда, в общем-то, вообще почти ничего не знали о тепловых явлениях. Хотя казалось бы: бери поршень, цилиндр, нагревай, охлаждай, измеряй силу — и все дела. Уравнение Менделеева-Клапейрона, думаю, можно получить за пару недель-месяцев таких экспериментов.
0
starikstd ,  
Быть может, с тех времен идет чрезмерное почитание изобретательства

Здесь, Вы как будто хотите отделить изобретателей от науки?
Цитата из вики: Термодинамика — это феноменологическая наука, опирающаяся на обобщения опытных фактов.

В то время, когда Уатт строил и продавал свои машины, Лавуазье рассуждал о теплороде
Пока человек не поставил кастрюлю на костёр, ни о каком термодинамическом равновесии, речи идти не могло.
0
starikstd ,  
Свой «Параллелограмм» Уатт придумал из-за патента на кривошип

Точнее, Уатт придумал «Параллелограмм» когда столкнулся с патентом на кривошип.
Чебышев (1821-1894) ещё даже не родился.
0
starikstd ,  
И таки у статьи есть продолжение...)