История паровых машин. История изобретения паровых машин. Создание паровой машины. Паровые машины с возвратно-поступательным движением.
УАТТ, ДЖЕЙМС (Watt, James, 1736-1819), шотландский инженер и изобретатель. Родился 19 января 1736 г. в Гриноке, близ Глазго (Шотландия), в семье купца. Из-за слабого здоровья Уатт формально мало учился, но очень многое изучил самостоятельно. Уже подростком он увлекался астрономией, химическими опытами, научился всё делать своими руками, и даже заслужил от окружающих звание «мастера на все руки».
Это были либо небольшие паровые домкраты, либо спусковые устройства. Они в основном использовались изобретателями, чтобы продемонстрировать, что мощность пара не следует недооценивать. В это время была продемонстрирована истинная мощность пара, поскольку энергия была использована для накачки воды из глубин в шахтах. При этом была обнаружена потенциальная мощность пара, что привело к созданию полноценной конструкции. Паровые электростанции в современном мире пришли позже. Основным принципом, над которым работали начальные паровые двигатели, была «конденсация водяного пара для создания вакуума».
Большинство людей считают его изобретателем паровой машины, но это не совсем так.
Паровые машины, построенные Д.Папеном, Т.Севери, И.Ползуновым, Т.Ньюкоменом начали работать на шахтах ещё задолго до Д.Уатта. Они различались конструктивно, но главное в них было то, что движение поршня вызывалось попеременным нагреванием и охлаждением рабочего цилиндра. Из-за этого они были медленными и потребляли очень много топлива.
Томас Савери был первым человеком, который изобрел паровой насос с целью выкачивания воды. Паровой насос, запатентованный им, работал кипящей водой, пока он полностью не превратился в пар. Затем пар собирали в резервуар, выделяя каждую каплю пара из исходного резервуара, тем самым создавая вакуум в исходном контейнере. Именно этот вакуум использовался для получения достаточного количества энергии для выкачивания воды из шахт. Это оказалось временным решением, так как энергия могла вытягивать воду с глубины всего в несколько метров.
Другим недостатком этого насоса было то, что давление пара использовалось для удаления воды, которая втягивалась в резервуар. Давление было слишком большим для котлов, и было несколько взрывов, поскольку котлы были недостаточно сильными. Высокий расход угля, который был распространен в паровом двигателе Ньюкомена, был снижен благодаря инновациям в конструкции двигателя Джеймсом Уоттом. Цилиндр двигателя низкого давления содержал теплоизоляцию, отдельный конденсатор и механизм откачки для конденсированной воды.
19 января 1736 г родился Джеймс Уатт (James Watt, 1736-1819), выдающийся шотландский инженер и изобретатель, прославившийся прежде всего как создатель усовершенствованной паровой машины. Но и в истории медицины критических состояний он оставил яркий след своим сотрудничеством с «Пневматическим медицинским институтом» Томаса Беддо (Beddoes, Thomas, 1760-1808). Джеймс Уатт снабжал лаборатории института необходимым оборудованием. Благодаря его участию, в «Пневматическом институте» создавались и испытывались первые ингаляторы, спирометры, газомеры и т.д.
Таким образом, двигатель низкого давления успешно сократил расход топлива более чем на 50%. Ваттный паровой двигатель низкого давления: Немецкий музей предлагает некоторую информацию об этом раннем инженерном чуде. Иван Ползунов и первый двухцилиндровый паровой двигатель.
Иван Ползунов был русским изобретателем, который построил в своей стране первый паровой двигатель. Двухцилиндровый паровой двигатель Пользунова был более мощным, чем английские атмосферные двигатели. Он имел мощность 24 кВт. Ползуновская модель двухцилиндрового парового двигателя представлена в настоящее время в музее Барнаула.
Сам Джеймс Уатт, а также его жена и один из сыновей, неоднократно участвовали в научных экспериментах. «Пневматический институт» стал настоящим научным центром, в котором изучались свойства различных газов и их влияние на организм человека. Можно сказать, что Томас Беддо и его сотрудники были пионерами и предшественниками современной респираторной терапии. К сожалению, Томас Беддо ошибочно полагал, что туберкулёз вызывается избытком кислорода.
Поэтому сын Джеймса Уатта, Грегори, прошёл в «Пневматическом институте» совершенно бесполезный курс лечения ингаляциями углекислого газа. Однако именно в «Пневматическом институте» впервые был применён с лечебной целью кислород; были разработаны основы аэрозольной терапии; впервые была измерена общая ёмкость лёгких методом разведения водорода (Г.Дэви), и т.д. Венцом сотрудничества Уатта и Беддо по лечебному применению различных газов стала их совместная книга «Материалы по медицинскому применению искусственных сортов воздуха», вышедшая двумя изданиями (1794, 1795 гг.), и ставшая первым специальным пособием по оксигенотерапии.
Двигатель, разработанный Томасом Ньюкоменом. Разработанный им паровой двигатель состоял из поршня или цилиндра, который перемещал огромный кусок дерева для управления водяным насосом. Двигатель не использовал давление пара, чтобы оказывать давление на поршень, но это был деревянный кусок, который был тяжелее к основному насосу. Это была гравитация, которая сбила со стороны насоса деревянный кусок. Цилиндр должен был нагреваться, а также охлаждаться каждый раз, что истощало большую часть его энергии, вызывая огромное количество потерь.
Наконец, именно Джеймс Уатт произвел революцию в паровом двигателе, используя отдельный конденсатор в оригинальной конструкции. Он придумал отдельный конденсатор. Уже в течение 11 лет его дизайн формируется на успешном паровом двигателе. Самой большой проблемой в ее реализации была технология создания огромного поршня, чтобы сохранить умеренное количество вакуума. Технология достигла больших успехов. Когда финансовая поддержка стала доступной, двигатель был наконец введен в железные дороги и суда.
В 1755 г. Уатт уехал в Лондон учиться на механика и мастера по изготовлению математических и астрономических инструментов. Освоив за год семилетнюю программу обучения, Уатт возвратился в Шотландию и получил место механика в университете Глазго. Заодно он открыл и свою собственную ремонтную мастерскую.
В университете Уатт познакомился с великим шотландским химиком Джозефом Блэком (Joseph Black, 1728-1799), открывшим углекислый газ в 1754 г. Эта встреча способствовала разработке ряда новых химических приборов, необходимых в дальнейших исследованиях Блэка, например, ледяного калориметра. В это время Джозеф Блэк занимался проблемой определения теплоты парообразования, а Уатт принимал участие в обеспечении технической стороны экспериментов.
В 1763 г. к нему, как к механику университета, обратились с просьбой отремонтировать университетскую модель паровой машины Т.Ньюкомена.
Смотреть что такое "паровая машина" в других словарях
Они оказались более мощными по сравнению со всеми моделями, изобретенными ранее, но именно дизайн двигателя, представленный Оливером Эвансом, стал успешным. Он использовал концепцию пара для питания двигателя, а не для конденсации пара и создания вакуума. Эванс придумал первый без конденсата и паровой двигатель высокого давления. Этот двигатель был впервые использован для запуска пилы. Двигатели высокого давления были подкреплены огромными цилиндрическими резервуарами, заполненными водой, которая была нагрета, помещая источник тепла прямо под ним, чтобы получить достаточный пар.
Здесь следует сделать небольшое отступление в историю создания паровых машин. Когда-то нас учили в школе, воспитывая «великодержавный шовинизм», что паровую машину изобрел русский крепостной механик Иван Ползунов, а не какой-то там Джеймс Уатт, о роли которого в создании паровых машин иногда можно было прочитать в «неправильных» с патриотической точки зрения книжках. Но на самом деле изобретателем паровой машины является не Иван Ползунов, и не Джеймс Уатт, а английский инженер Томас Ньюкомен (Thomas Newcomen, 1663-1729).
Более того, первая попытка поставить пар на службу человеку была предпринята в Англии ещё в 1698 г. военным инженером Томасом Сэйвери (Thomas Savery, 1650?-1715). Он создал паровой водоподъёмник, предназначавшийся для осушения шахт и перекачивания воды, и ставший прототипом паровой машины.
Почти полвека спустя были изобретены первые паровые автомобили. Парсонс придумал первую паровую турбину. К 20-м столетию паровая машина широко использовалась в автомобилях и кораблях. Паровой двигатель - это машина, которая преобразует тепловую энергию пара в механическую энергию. Паровой двигатель пропускает свой пар в цилиндр, а затем толкает поршень назад и вперед. Именно с этим движением поршня двигатель может выполнять механическую работу. Паровой двигатель был основным источником энергии промышленной революции в Европе в восемнадцатом и девятнадцатом веках.
Машина Сэйвери работала следующим образом: сначала герметичный резервуар наполнялся паром, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, отчего пар конденсировался, и в резервуаре создавался частичный вакуум. После этого вода, например, со дна шахты засасывалась в резервуар через заборную трубу и после впуска очередной порции пара выбрасывалась наружу через выпускную трубу. Затем цикл повторялся, но воду можно было поднимать только с глубины менее 10,36 м, поскольку в действительности её выталкивало атмосферное давление.
Он доминировал в промышленности и транспорте в течение 150 лет. Его изобретение, предназначенное для перекачки воды из угольных шахт, было известно как «Друг шахтера». Машина, у которой не было движущихся частей, состояла из простого котла - паровой камеры, клапаны которой располагались на поверхности - и трубы Водя воду в шахте ниже. Вода была нагрета в камере котла до тех пор, пока ее пар не заполнил камеру, вытеснив оставшуюся воду или воздух. Затем клапаны были закрыты, а на камеру была распылена холодная вода.
Пар, чтобы образовать вакуум. Когда клапаны были вновь открыты, вакуум всасывал воду из шахты, и процесс мог быть повторен. Он повысил эффективность, установив движущийся поршень внутри цилиндра, метод, который все еще используется сегодня. Цилиндр - длинная, тонкая, закрытая камера, отдельная от котла, - заменила большую открытую котельную камеру. Поршень - скользящая деталь, которая вписывается в цилиндр - была использована для создания движения вместо вакуума. Пар наполнял цилиндр от открытого клапана.
Эта машина была не очень удачной, но она навела Папена на яркую мысль заменить порох водой. И в 1698 г. он построил паровую машину (в том же году свою «огненную машину» построил и англичанин Сэйвери). Вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем внутри, и образовавшийся пар толкал поршень вверх. Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень опускался вниз под действием атмосферного давления. Таким образом, посредством системы блоков машина Папена могла приводить в действие различные механизмы, например, насосы.
Когда он заполняется, цилиндр распылялся водой, в результате чего пар внутри конденсировался в воде и создавал частичный вакуум. Затем давление наружного воздуха затормозило поршень, создавая такт мощности. Поршень был соединен с балкой, которая была соединена с водяным насосом на дне шахты с помощью штока насоса.
Благодаря этим соединениям движение поршня заставляло водяной насос всасывать воду. Конденсатор: прибор для охлаждения воздуха или газов. Цилиндр: Камера двигателя, в котором перемещается поршень. Поршень: скользящая деталь, которая перемещается или перемещается против давления жидкости внутри цилиндрического сосуда или камеры.
С паровыми машинами Сэйвери и Папена был знаком английский изобретатель Томас Ньюкомен (Thomas Newcomen,1663 - 1729), который часто бывал на шахтах в Вест Кантри, где он работал кузнецом, и поэтому хорошо понимал, как нужны надёжные насосы для предотвращения затопления шахт. Он объединил свои усилия с водопроводчиком и стекольщиком Джоном Калли в попытке построить более совершенную модель. Их первая паровая машина была установлена на угольной шахте в Стаффордшире в 1712 г.
Турбина: двигатель, который движется круговым движением, когда сила, такая как движущаяся вода, применяется к ее серии перегородок, излучаемых с центрального вала. Самое важное усовершенствование конструкции парового двигателя было вызвано шотландским инженером Джеймсом Уаттом. В этом году он представил конструкцию парового двигателя с отдельным конденсатором и герметичными цилиндрами. Так как это продолжало процессы нагрева и охлаждения отдельно, его машина могла работать постоянно, без каких-либо длительных пауз в каждом цикле для повторного нагрева цилиндра.
Как и в машине Папена, поршень перемещался в вертикальном цилиндре, но в целом машина Ньюкомена была значительно более совершенной. Чтобы ликвидировать зазор между цилиндром и поршнем, Ньюкомен закрепил на торце последнего гибкий кожаный диск и налил на него немного воды.
Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. При впрыскивании в цилиндр холодной воды, пар конденсировался, в цилиндре образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом, двигавшимся наподобие качелей, поднимал вверх шток насоса. Когда поршень находился в нижней точке своего хода, в цилиндр снова поступал пар, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса или на коромысле, поршень поднимался в исходное положение. После этого цикл повторялся.
Машина Ньюкомена оказалась на редкость удачной для того времени и использовалась по всей Европе более 50 лет. Её использовали для откачки воды из многочисленных шахт в Великобритании. Это было первое крупносерийное изделие в истории техники (выпущено несколько тысяч штук).
В 1740 г. машина с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняла работу, которую бригады из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, раньше выполняли за неделю.
В течение следующих пятнадцати лет Уатт продолжал совершенствовать свой двигатель и сделал три важных дополнения. Он представил центробежный регулятор, устройство, которое могло контролировать выход пара и скорость двигателя. Он сделал двигатель двойным действием, позволяя пара вводить поочередно по обе стороны поршня. Это позволило двигателю работать быстро и подавать питание как вниз, так и по ходу поршня. Самое главное, он прикрепил к двигателю маховик.
Маховики позволяют двигателю работать более плавно, создавая более постоянную нагрузку, и они преобразуют обычный ход хода назад и вперед в круговое движение, которое может быть легче адаптировано к силовым машинам. Он использовался для перекачки сильфонов для доменных печей, для мощных молотков.
В 1775 г. ещё более большая машина, построенная Джоном Смитоном (создателем Эддистоунского маяка), за две недели осушила док в Кронштадте (Россия). Ранее с использованием высоких ветряков на это уходил целый год.
И, тем не менее, машина Ньюкомена была далека до совершенства. Она преобразовывала в механическую энергию всего лишь около 1 % тепловой энергии и, как следствие, пожирала огромное количество топлива, что, впрочем, не имело особого значения, когда машина работала на угольных шахтах.
Для формования и укрепления кованых металлов, а также для обработки машин на текстильных фабриках. Более того, это был паровой двигатель Ватта, который ускорил индустриальную революцию как в Англии, так и в остальном мире. Следующим шагом в развитии технологии паровых двигателей было осознание того, что сам пар, а не конденсация пара для создания вакуума, может приводить в действие двигатель. Двигатель, который был неподвижным, работал со скоростью 30 оборотов в минуту и использовался для питания мраморной пилы.
Двигатели высокого давления использовали большие цилиндрические резервуары с водой, нагретой снизу для производства пара. Позже некоторые из первых автомобилей были оснащены паром. Парсонс выпустил первую паровую турбину. Когда-то доминирующий источник энергии, паровые двигатели в конечном итоге снизились по популярности, поскольку стали доступны другие источники энергии.
В целом машины Ньюкомена сыграли огромную роль в сохранении угольной промышленности. С их помощью удалось возобновить добычу угля во многих затопленных шахтах.
Про изобретение Ньюкомена можно сказать, что это была действительно паровая машина, вернее, пароатмосферная машина. От предыдущих прототипов паровых машин её отличало следующее:
Паровые устройства в XXI веке
Паровые двигатели - это машины, использующие давление пара и конденсацию для генерации движения. История транспорта: паровоз. Сила пара является одним из важнейших и ключевых аспектов промышленной революции. Изобретение парового двигателя создало множество изменений и дополнений к технологии того времени, включая паровозы. Паровые локомотивы - это транспортные средства, которые работают на рельсах или дорогах и питаются паровыми двигателями. Они исторически использовались для перевозки грузов и других материалов, а также пассажиров.
* движущей силой в ней было атмосферное давление, а разрежение достигалось при конденсации пара;
* в цилиндре находился поршень, который совершал рабочий ход под действием пара;
* вакуум достигался в результате конденсации пара при впрыскивании внутрь цилиндра холодной воды.
Поэтому на самом деле изобретателем паровой машины по праву является англичанин Томас Ньюкомен, который разработал свою пароатмосферную машину в 1712 г. (за полстолетия до Уатта).
Несмотря на то, что они были популярным методом транспортировки в течение большей части 19-го в 20-м веке, в конечном итоге они были заменены более современными методами транспортировки. Создание паровозов началось с разработки парового двигателя. Изобретение парового двигателя относится к концу 17 века. Созданный им паровой двигатель использовался для удаления воды из шахт. Этот дизайн был усовершенствован английским инженером Томасом Ньюкоменом в Позже, дальнейшие и более значительные улучшения в паровом двигателе были сделаны шотландским инженером и изобретателем по имени Джеймс Уотт, начиная с этого были усовершенствования Уатта в паровой машине, которая открылась дверь к изобретению паровозов.
Совершая краткий экскурс в историю создания паровых машин, нельзя пройти мимо личности нашего выдающегося соотечественника Ивана Ивановича Ползунова (1729-1766), построившего пароатмосферную машину раньше, чем это сделал Джеймс Уатт. Будучи механиком Колывано-Воскресенских горнорудных заводов на Алтае, он предложил 25 апреля 1763 г. проект и описание «огнедействующей машины». Проект попал на стол к начальнику заводов, который одобрил его и отослал в Петербург, откуда вскоре пришел ответ: «…Сей его вымысл за новое изобретение почесть должно».
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 для мощной воздуходувки. В апреле 1764 г. Ползунов приступил к строительству машины, в 15 раз более мощной по сравнению с проектом 1763 г.
Создание паровозов. Британия была основной силой в развитии парового двигателя и паровозов. Хотя ранее были созданы прототипы, первый полномасштабный паровоз был построен в Великобритании британским инженером Ричардом Тревитиком, к сожалению, его паровоз не был принят.
Первый паровоз для работы в Америке был отправлен из Великобритании. Названный Львом Стурбриджа, он был заказан для перевозки угля. В 5 тонн это было слишком тяжело для треков, которые предназначались для хранения 4 тонн. Первым паровозом, который будет построен в Америке, был Том Палец Питера Купера.
Идею пароатмосферного двигателя он взял из книги И. Шлаттера «Обстоятельное наставление рудному делу…» (Санкт-Петербург, 1760 г.).
Но двигатель Ползунова коренным образом отличался от английских машин Сэйвери и Ньюкомена. Те были одноцилиндровые и пригодны лишь для откачки воды из шахт. Двухцилиндровый двигатель непрерывного действия Ползунова мог подавать дутье в печи и откачивать воду. В дальнейшем изобретатель рассчитывал приспособить его и для других нужд.
Постройку машины поручили Ползунову, в помощь которому были выделены «не знающие, но только одну склонность к тому имеющие из здешних мастеровых двое», да еще несколько подсобных рабочих. С этим «штатом» Ползунов приступил к постройке своей машины. Строилась она год и девять месяцев. Когда машина уже прошла первое испытание, изобретатель заболел скоротечной чахоткой и 16 (28) мая 1766 г., за несколько дней до завершающих испытаний, умер.
23 мая 1766 г. ученики Ползунова 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).
В это же время в Англии над созданием паровой машины работал и Джеймс Уатт. В 1763 г. к нему, как к механику университета, обратились с просьбой отремонтировать университетскую модель паровой машины Т.Ньюкомена.
Отлаживая университетскую модель пароатмосферной машины Т.Ньюкомена, Уатт убедился в низкой эффективности подобных машин. Он загорелся идеей улучшить параметры паровой машины. Ему было ясно, что основной недостаток машины Ньюкомена состоял в попеременном нагревании и охлаждении цилиндра. Каким же образом избежать этого? Ответ пришел к Уатту воскресным весенним днем 1765 г. Он понял, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если до конденсации отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. При этом перенос процесса конденсации пара за пределы цилиндра должен способствовать снижению расхода пара. Более того, цилиндр может оставаться горячим, а конденсор холодным, если снаружи их покрыть теплоизоляционным материалом.
Усовершенствования, которые внес Уатт в паровую машину (центробежный регулятор, отдельный конденсатор пара, уплотнители и др.), не только подняли коэффициент полезного действия машины, но и окончательно превратили пароатмосферную машину в паровую, а главное - машина стала легко управляемой.
В 1768 г. он подал прошение о патенте на свое изобретение. Патент он в 1769 г. получил, но построить паровую машину ему долго не удавалось. И только в 1776 г. при материальной поддержке доктора Ребека, основателя первого металлургического завода в Шотландии, паровая машина Уатта была, наконец, построена и успешно прошла испытание.
Первая машина Уатта оказалась вдвое эффективнее машины Ньюкомена. Интересно, что в основе разработок, следовавших за исходным изобретением Ньюкомена, лежало понятие “производительности” двигателя, что означало число футофунтов воды, которое закачивалось на бушель угля. Кому принадлежала идея этой единицы, теперь не известно. Этот человек не вошёл в историю науки, но, наверное, это был какой-нибудь прижимистый владелец шахты, который замечал, что некоторые двигатели работали более эффективно, чем другие, и не мог допустить того, чтобы на соседней шахте была большая норма выработки.
И хотя испытания машины прошли успешно, в ходе её дальнейшей эксплуатации стало ясно, что первая модель Уатта оказалась не совсем удачной, и сотрудничество с Ребеком прервалось. Несмотря на нехватку средств, Уатт продолжал работать над усовершенствованием паровой машины. Его работы заинтересовали Мэтью Боултона (Matthew Boulton), инженера и богатого фабриканта, владельца металлообрабатывающего завода в местечке Сохо под Бирмингемом. В 1775 г. Уатт и Боултон заключили соглашение о партнерстве.
В 1781 г. Джеймс Уатт получил патент на изобретение второй модели своей машины. Среди новшеств, внесённых в неё и в последующие модели, были:
* цилиндр двойного действия, в котором пар подавался попеременно по разные стороны от поршня, при этом отработанный пар поступал в конденсатор;
* жаровая рубашка, окружавшая рабочий цилиндр для снижения тепловых потерь, и золотник;
* преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала сначала посредством шатунно-кривошипного механизма, а затем с помощью шестеренчатой передачи, явившейся прообразом планетарного редуктора;
* центробежный регулятор для поддержания постоянства числа оборотов вала и маховик для уменьшения неравномерности вращения.
В 1782 г. эта замечательная машина, первая универсальная паровая машина «двойного действия», была построена. Крышку цилиндра Уатт оснастил изобретенным незадолго до того сальником, который обеспечивал свободное движение штока поршня, но предотвращал утечку пара из цилиндра. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой, создавая вакуум с противоположной стороны цилиндра. Поэтому поршень совершал и рабочий и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах.
Кроме того, в 1782 г. Джеймс Уатт ввел принцип расширительного действия, разделяя поток пара в цилиндре в начале его течения так, что он начинал расширяться остальную часть цикла под своим собственным давлением. Расширительное действие означает некоторую потерю в мощности, но выигрыш в «производительности». Из всех этих идей Уатта самой полезной была идея расширительного действия. В дальнейшем её практическом внедрении очень помогла индикаторная диаграмма, созданная около 1790 г. помощником Уатта Джеймсом Саузерном.
Индикатор был самопишущим устройством, который можно было присоединять к двигателю для того, чтобы отмечать давление в цилиндре в зависимости от объема пара, поступающего за данный такт. Площадь под такой кривой была мерой работы, проделанной за данный такт. Индикатор использовали для того, чтобы максимально эффективно настроить двигатель. Эта самая диаграмма впоследствии стала частью знаменитого цикла Карно (Сади Карно, 1796-1832) в теоретической термодинамике.
Поскольку в паровой машине двойного действия шток поршня совершал тянущее и толкающее действие, прежнюю приводную систему из цепей и коромысла, которая реагировала только на тягу, пришлось переделать. Уатт разработал систему связанных тяг и применил планетарный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения штока поршня во вращательное движение, использовал тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара.
Универсальный паровой двигатель двойного действия с непрерывным вращением (паровая машина Уатта) получил широкое распространение и сыграл значительную роль в переходе к машинному производству.
Запатентованная Джеймсом Уаттом «ротативная паровая машина» сначала широко применялась для приведения в действие машин и станков прядильных и ткацких фабрик, а позже и других промышленных предприятий. Это привело к резкому повышению производительности труда. Именно с этого момента англичане отсчитывают начало большой промышленной революции, которая вывела Англию на лидирующее положение в мире.
Двигатель Джеймса Уатта годился для любой машины, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самодвижущихся механизмов. Так паровая машина пришла на транспорт (пароход Фултона, 1807 г.; паровоз Стефенсона, 1815 г.). Благодаря преимуществу в средствах передвижения Англия стала ведущей державой мира.
В 1785 г. Уатт запатентовал изобретение новой топки котла, и в этом же году одна из машин Уатта была установлена в Лондоне на пивоваренном заводе Сэмюэла Уитбреда для размалывания солода. Машина выполняла работу вместо 24 лошадей. Диаметр ее цилиндра равнялся 63 см, рабочий ход поршня составлял 1,83 м, а диаметр маховика достигал 4,27 м. Машина сохранилась до наших дней, и сегодня ее можно увидеть в действии в сиднейском музее «Пауэрхауз».
Компания «Боултон и Уатт», созданная в 1775 г., испытала на себе все превратности судьбы, от падения спроса на её продукцию до защиты своих изобретательских прав в судах. Однако с 1783 дела этой компании, монополизировавшей производство паровых машин, пошли в гору. Так Джеймс Уатт стал очень обеспеченным человеком, и помощь «Пневматическому медицинскому институту» Томаса Беддо (Beddoes, Thomas, 1760-1808), с которым он начал сотрудничество в это время, Уатт оказывал весьма и весьма существенную.
Не смотря на бурную деятельность по созданию паровых двигателей, Уатт вышел в отставку с занимаемой им должности в университете Глазго только в 1800 г. Через 8 лет после своей отставки он учредил «Приз Уатта» для лучших студентов и преподавателей университета. Университетская техническая лаборатория, в которой он начинал свою деятельность, стала носить его имя. Имя Джеймса Уатта носит и колледж в Гриноке (Шотландия), родном городе изобретателя.
Эволюция паровой машины Дж.Уатта
1774 г. Паровой
водоотливной насос 1781 г. Паровой двигатель
с вращающим моментом на валу 1784 г. Паровой двигатель
двойного дествия с КШМ
Интересно, что в свое время в качестве единицы мощности Уатт предложил такую единицу, как «лошадиная сила». Эта единица измерения дожила и до наших дней. Но в Англии, где Уатта почитают как пионера промышленной революции, решили иначе. В 1882 г. Британская ассоциация инженеров решила присвоить его имя единице мощности. Теперь имя Джеймса Уатта можно прочесть на любой электрической лампочке. Это был первый в истории техники случай присвоения собственного имени единице измерения. С этого случая и началась традиция присвоения собственных имен единицам измерения.
Уатт прожил долгую жизнь и умер 19 августа 1819 года в Хитфилде близ Бирмингема. На памятнике Джеймсу Уатту написано: “Увеличил власть человека над природой”. Так оценили современники деятельность знаменитого английского изобретателя.
Как работает паровой двигатель
Тепловые двигатели
Машины, производящие механическую работу в результате обмена теплотой с окружающими телами, называются тепловыми двигателями. Во всех типах таких двигателей непрерывное или периодически повторяющееся получение работы возможно только в том случае, когда совершающая работу машина не только получает тепло от какого-то тела (нагревателя), но и отдает часть тепла другому телу (охладителю).
На рисунке, выполненном неизвестным художником согласно указаниям Исаака Ньютона(1642-1727), показано устройство упрощенного экипажа, использующего для движения реактивную силу струи пара.
Паровые двигатели
В середине XVII века были сделаны первые попытки перехода к машинному производству, потребовавшие создания двигателей, не зависящих от местных источников энергии (воды, ветра и пр.). Первым двигателем, в котором использовалось тепловая энергия химического топлива стала пароатмосферная машина, изготовленная по проектам французского физика Дени Папена и английского механика Томаса Севери. Эта машина была лишена возможности непосредственно служить механическим приводом, к ней «прилагалось в комплект» водяное мельничное колесо (по-современному говоря, водяная турбина), которое вращала вода, выжимаемая паром из котла паровой машины в резервуар водонапорной башни. Котел то подогревался паром, то охлаждался водой: машина действовала периодически.
Принцип работы парового двигателя
Настоящая паровая машина работает вот как: вода в закрытом котле доводится до кипения. Пар может выйти только через отверстие, которое ведет в специальную трубу.
В этой трубе, которая называется цилиндром, находится подвижный поршень. Пар давит на поршень, и тот двигает шатун, который крутит маховик.
После того как пар выполнит эту работу, он выходит через клапан и попадает в систему трубок.
Мощные паровые машины, естественно, имеют чрезвычайно сложную конструкцию.
Принцип действия парового двигателя
Поршень образует в цилиндре паровой машины одну или две полости переменного объёма, в которых совершаются процессы сжатия и расширения.
Работа поршня 1 посредством штока 2, ползуна 3, шатуна 4 и кривошипа 5 передаётся главному валу 6, несущему маховик 7, который служит для снижения неравномерности вращения вала. Эксцентрик, сидящий на главном валу, с помощью эксцентриковой тяги приводит в движение золотник 8, управляющий впуском пара в полости цилиндра. Пар из цилиндра выпускается в атмосферу или поступает в конденсатор. Для поддержания постоянного числа оборотов вала при изменяющейся нагрузке паровые машины снабжаются центробежным регулятором 9, автоматически изменяющим сечение прохода пара, поступающего в паровую машину (дроссельное регулирование, показано на рисунке), или момент отсечки наполнения (количественное регулирование).
Классификация паровых двигателей
Паровые машины разделяются:
по назначению
стационарные
нестационарные (передвижные и транспортные)
по используемому пару
низкого давления (до 12 кг/см²)
среднего давления (до 60 кг/см²)
высокого давления (свыше 60 кг/см²)
по числу оборотов вала
тихоходные (до 50 об/мин, как на колёсных пароходах)
быстроходные
по давлению выпускаемого пара
на конденсационные (давление в конденсаторе 0,1-0,2 ата)
выхлопные (с давлением 1,1-1,2 ата)
теплофикационные с отбором пара на нагревательные цели или для паровых турбин давлением от 1,2 ата до 60 ата в зависимости от назначения отбора (отопление, регенерация, технологические процессы, срабатывание высоких перепадов в предвключённых паровых турбинах).
По расположению цилиндров
горизонтальные
наклонные
вертикальные
по числу цилиндров
одноцилиндровые
многоцилиндровые
сдвоенные, строенные и т. д., в которых каждый цилиндр питается свежим паром
паровые машины многократного расширения, в которых пар последовательно расширяется в 2, 3, 4 цилиндрах возрастающего объёма, переходя из цилиндра в цилиндр через т. н. ресиверы (коллекторы).
По типу передаточного механизма паровые машины многократного расширения делятся на тандем-машины и компаунд-машины. Особую группу составляют прямоточные паровые машины, в которых выпуск пара из полости цилиндра осуществляется кромкой поршня.
Паровой двигатель
Это двигатель, приводимый в действие силой пара. Пар, получаемый путем нагрева воды, используют для движения. В некоторых двигателях сила пара заставляет двигаться поршни, расположенные в цилиндрах. Т.о. создается возвратно-поступательное движение. Подсоединенный механизм обычно преобразует его во вращательное движение. В паровозах (локомотивах) используются поршневые двигатели. В качестве двигателей используют также паровые турбины, которые дают непосредственно вращательное движение, вращая ряд колес с лопатками. Паровые турбины приводят в действие генераторы электростанций и винты кораблей. В любом паровом двигателе происходит превращение тепла, вырабатываемого при нагреве воды в паровом котле (бойлере) в энергию движения. Тепло может подаваться от сжигания топлива в печи или от атомного реактора.
Паровые двигатели, такие как раньше использовались в локомотивах, работают на производимом при нагревании воды паре. Угольная или дровяная топка (1) нагревает котел, напол-ненный водой (2), который производит пар. Пар поднимается и через сухопарник(3) выталкивается через трубы в цилиндр (4), где он вызывает обратное движение поршня (5). Связанный с поршнем рычаг (6) это золотниковый клапан (7), который сначала позволяет пару попасть в цилиндр (как показано), закрывая выпускное окно (8). Это создает давление, которое двигает поршень вперед и приводит к тому, что золотниковый клапан становится в такое положение, когда выпускное окно открывается и пар выходит наружу. Движение колес заставляет поршень двигаться назад, и все начинается снова.