Первая паровая машина джеймса уатта
Паровая машина Уатта
Главным двигателем в разных отраслях производства веками оставалось водяное колесо. Но этот двигатель требовал располагать предприятия у рек и для запуска нуждался в дорогостоящих подготовительных работах. Мощность водяных колёс, зависевшую от силы реки, было трудно контролировать: ведь как в засуху, так и при наводнении — двигатель мог встать. Нужда в мощном, дешёвом, легкоуправляемом двигателе, который можно установить в любом месте, привела к созданию паровых машин.
Вспомнить Герона
«Праотцами» паровой машины можно считать два творения Герона Александрийского — поршневый насос и эолипил, в котором сила пара использована как источник энергии. Идею эолипила развил итальянский инженер Джованни Бранка, создав в 1629 г. первую паровую турбину, схожую с водяным колесом, но вращаемую не потоком воды, а давлением струи пара.
Двигатель Бранка был слишком слаб для промышленного использования — мощи паровой струи, поступающей из кипящего котла с водой, не хватало для раскручивания большого колеса. Поршневые насосы в XVI-XVIII вв. широко использовались для откачки грунтовых вод из глубоких шахт и приводились в движение водяным колесом (гидравлическим двигателем). Английский изобретатель Эдвард Сомерсет объединил идею поршня и использование пара в качестве рабочего тела (источника энергии) и в 1655 г. построил паровой насос для подъёма воды на стену замка. Но в те годы его идея не нашла поддержки.
Модель Папена
Серия научных открытий XVII- XVIII вв., познакомившая человечество с воздействием атмосферного давления, свойствами вакуума и расширением объёма тел при нагревании, дала пищу умам конструкторов, стремившихся создать новые типы двигателей. Опираясь на накопленные знания и конструкторский опыт предшественников, французский изобретатель Дени Папен в 1680 г. создал первую модель паровой машины. Рабочий поршень его машины, поднятый паром, образованным в рабочем цилиндре, опускаясь под давлением атмосферы, с помощью системы блоков поднимал груз. Так модель Папена показывала возможность практического применения силы пара.
«Друг рудокопа»
В 1698 г. английский инженер Томас Севери получил патент на «друга рудокопа» — паровой насос для откачки воды из шахт. Всю работу «друга» выполнял пар — там даже не было поршня. Севери, в отличие от Папена, стал производить пар в паровом котле, отделённом от рабочей части машины. Но для действия машины приходилось каждый раз охлаждать паровой котёл, и тепло, на создание которого тратился уголь в нагревательной печи, уходило в воздух.
Турбина — вращающийся (ротационный) двигатель, преобразующий энергию рабочего тела (воды, пара, газа) в механическую работу.Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое. После конденсации пар становится водой.
Двигатель Ньюкомена
Английский кузнец, изобретатель-самоучка Томас Ньюкомен, объединив идеи Папена и Севери, в 1711 г. создал машину, в которой пар охлаждался не в котле, а в рабочем цилиндре, сберегая больше тепла и делая процесс непрерывным. Ньюкомен назвал своё детище «пароатмосферным двигателем», т. к. поршень поднимал пар, а опускало его давление атмосферы. Двигатель Ньюкомена приводил в движение коромысло с поршнем насоса, откачивавшего воду из шахты.
Машина потребляла много угля, а полезную работу поршень совершал только при опускании. Но владельцы шахт, не испытывая недостатка в угле, уже к 1733 г. купили 110 машин Ньюкомена.
Паровая революция
Изготовление поршня и цилиндра для паровой машины требовало высокой точности в подгонке деталей, чтобы пар не прорывался в зазоры между ними, грозя обварить окружающих. Для массового производства паровых машин создали высокоточные станки, которые упростили производство и всех других станков — началась цепная реакция развития машиностроения. Машины Уатта внедрялись во все отрасли производства и ставились в любом месте, что позволило перенести промышленные центры в города, где было достаточно рабочей силы. Так создание одной машины сразу подняло на новый уровень всё производство, переведя «машинную революцию» в революцию промышленную. С начала XIX в. варианты паровых машин служили и двигателями для транспорта.
Машина широкого спроса
В 1763 г. шотландскому инженеру Джеймсу Уатту пришлось чинить одну из машин Ньюкомена, и он обнаружил в ней много недочётов. Так, при запуске пара в охлаждённый водой цилиндр часть его тепла тратилась не на работу, а на повторный нагрев цилиндра. Но если держать цилиндр постоянно нагретым, как конденсировать пар? И тогда Уатт понял, что для создания вакуума в рабочем цилиндре можно просто откачать из него пар и отвести его охлаждаться в отдельный резервуар — в конденсатор, а оттуда вернуть воду обратно в котёл, замкнув цикл работы машины. В 1769 г. Уатт запатентовал свой пароатмосферный двигатель, который стал первой машиной, широко используемой в производстве.
Двойной пар
В 1770-х гг. Уатт повысил мощность парового двигателя, заменив давление атмосферы на поршень давлением пара. Теперь пар в рабочий цилиндр подавался с двух сторон рабочего поршня, и поднимая, и опуская его. Патент на машину с цилиндром двойного действия Уатт получил в 1776 г. Это был уже не пароатмосферный, а паровой двигатель.
Поршень крутит колесо
Поршни машины Уатта 1765-1776 гг. совершали лишь одно рабочее движение (вниз) и работали рывками. В разработке системы передачи, переводящей прямолинейное движение поршня во вращательное движение рабочего колеса-маховика Уатта опередил некий Пикар, рабочий его завода. Он изобрёл удобный кривошипно-шатунный механизм, передающий движение от поршня к маховику. Теперь, вращая маховик, поршень совершал полезную работу при движении и вниз, и вверх — энергия двигателя стала использоваться полностью. Снабжённые колёсами машины Уатта нашли спрос как двигатели для мельниц, прядильных и ткацких станков, дисковых пил на лесопилках и пр.
Полная автоматизация
Работу первых двигателей Уатта приходилось контролировать. Надо было следить, чтобы машина работала равномерно, не развивая слишком большую мощность, для замедления вращения маховика или качания коромысла время от времени приходилось прикрывать клапан подачи пара. Также вручную открывались и закрывались клапаны подачи и отвода пара из главного цилиндра. В машине 1784 г. Уатт автоматизировал оба эти процесса: регулятор подачи пара он изобрёл сам, а в автоматизации парораспределения Уатту помог его сотрудник, механик Уильям Мердок, придумавший золотник — устройство, направляющее поток пара.
Развитие идеи
Успех первой пароатмосферной машины принёс Уатту и славу, и деньги на продолжение работы. Он поставил перед собой несколько задач по усовершенствованию своей машины: повысить мощность, использовать для выполнения полезной работы не только опускание поршня, но и его подъём, а также полностью автоматизировать управление машиной.
Паровая машина Уатта
Справочно. Пароатмосферная машина Ньюкомена использовалась для откачки воды в шахтах и получила широкое распространение в XVIII веке. Главной проблемой двигателя была крайне низкая эффективность (КПД менее 1%). Поэтому машина по большей части использовалась в угольной промышленности, где уголь был доступен за значительно меньшую цену, чем в других регионах куда уголь надо было доставить на гужевом транспорте.
Машина Ньюкомена.
В 1782 году Уатт создал первую универсальную паровую машину двойного действия, крышку цилиндра он 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. Поэтому поршень совершал и рабочий и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах. 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. Запатентованная Уаттом «ротативная паровая машина» сначала широко применялась для приведения в действие машин и станков прядильных и ткацких фабрик, а позже и других промышленных предприятий. Таким образом, паровая машина Уатта стала изобретением века, положившим начало промышленной революции. В 1785 году одна из первых 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».
Дж. Уатт с моделью своей паровой машины.
Паровая машина Дэни Папена.
Паровой двигатель Ньюкомена:
В 1740 году 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 1775 году еще большая машина, построенная Джоном Смитоном (создателем Эддистоунского маяка), за две недели осушила сухой док в Кронштадте (Россия). Ранее с использованием высоких ветряков на это требовался 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. В целом машины Ньюкомена сыграли огромную роль в сохранении угольной промышленности: с их помощью удалось возобновить добычу угля во многих затопленных шахтах. Проект первой в мире паровой машины, способной непосредственно приводить в действие любые рабочие механизмы, предложил 25 апреля 1763 года русский изобретатель И. И. Ползунов, механик на Колывано-Воскресенских горнорудных заводах Алтая. 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».
Паровая машина Ползунова, схема
Паровая машина Ползунова получила признание. 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. 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 за несколько дней до завершающих испытаний умер. 23 мая 1766 года ученики Ползунова Левзин и Черницын одни приступили к последним испытаниям паровой машины.
Демонстрация поезда, построенного Ричардом Тревитиком, на кольцевой узкоколейке, проложенной специально для этого в Лондоне неподалеку от Юстон-сквера, 1808 год.
Применение паровой машины
Первые паровые локомотивы были построены Ричардом Тревитиком в 1800-1801 годах и применялись на шахтах, где заменили вагонетки, которые, начиная с 1550 года, катали по деревянным рельсам лошади, женщины и дети. Самый известный паровой локомотив Тревитика в 1804 году возил железную руду на заводе Пен-и-Даррен в Южном Уэльсе. Он проходил маршрут протяженностью 14,5 км с максимальной скоростью 8 км/ч и доказал, что машина с гладкими колесами может вполне нормально передвигаться по столь же гладким металлическим рельсам. Локомотивы для работы на шахтах строили также Джон Бленкинсоп, Уильям Хедли и Джордж Стефенсон. Первая пассажирская железная дорога, соединившая Стоктон и Дарлингтон на севере Англии, была открыта 27 сентября 1825 года. Состав из 38 вагонов, среди которых были пассажирские и товарные, нагруженные углем, тянул новый локомотив, разработанный Джорджем Стефенсоном и названный им «Локомоушн».
Спустя четыре года изобретатель вместе со своим сыном Робертом построил локомотив «Ракета», который 15 сентября 1830 года привел первый «междугородный» поезд из Ливерпуля в Манчестер Успехи в использовании паровых машин на средствах водного и железнодорожного транспорта были вполне очевидны, и это заставляло изобретателей искать пути дальнейшего усовершенствования и применения паровых машин. Поэтому естественным было стремление изобретателей использовать их также для безрельсового транспорта, где все еще господствовала конная тяга. Самая ранняя самодвижущаяся паровая повозка была изобретена в 1769 году французским военным инженером Николя Кюньо. Она приводилась в движение паровой машиной и предназначалась для буксировки артиллерийских орудий, однако реально могла перевозить четырех человек со скоростью немногим более 3,2 км/ч. Чуть позже, в 1803 году, Ричард Тревитик продемонстрировал в Лондоне одну из своих первых паровых машин, но она не произвела большого эффекта на публику, и изобретатель занялся строительством локомотивов.
Телега Николя Кюньо.
Однако в 1820-1830 годах было построено некоторое количество паровых экипажей, которые выполняли ограниченные пассажирские перевозки в Лондоне, Париже и ряде других крупных городов. Но развитию нового вида транспорта мешали владельцы дилижансов, позже к ним присоединились и железно-дорожные компании, которые делали все возможное, чтобы оградить себя от конкуренции. Это было не так уж сложно, принимая во внимание то, что первые паровые экипажи были громоздкими, неудобными и шумными; они поминутно окутывались дымом и клубами горячего пара, и публика в целом относилась к ним с большим недоверием, считая их небезопасными для людей. Аналогичные работы велись и в России, с тем лишь отличием, что энтузиазм русских изобретателей наталкивался на непробиваемую стену холодного и безразличного равнодушия со стороны царских чиновников. Так, в 1830 году русский лафетный мастер К. Янкевич представил проект безрельсового парового «быстроката». В объяснении к проекту Янкевич, заглядывая далеко вперед, писал: «Введение и употребление сухопутного летнего и зимнего парового экипажа без сомнения принести может государству немаловажную пользу поспешнейшим доставлением всех сведений и необходимых потребностей во все места, а равно и сообщением со всеми городами«.
Однако прошло более тридцати лет прежде, чем мысль Янкевича была осуществлена на практике. На Урале, к северо-востоку от Нижнего Тагила, между Верхней и Нижней Салдой пролегает дорога, по которой более ста двадцати лет тому назад совершал регулярные рейсы паровой автомобиль, построенный русским изобретателем Аммосом Черепановым. Примерно в то же время созданы паровые колесные тракторы и начинается их производство в заводских условиях. В 1876-1877 годы Брянский завод выпустил первые два трактора. В 1903 году Коломенский завод построил тракторы, успешно применявшиеся на строительстве Амурской железной дороги. В Европе изобретатели стремились усовершенствовать паровую машину и сделать ее более компактной.
Уатт и паровой двигатель
«Мне нужен источник энергии получше, — горячился Мэтью Болтон. — Такой, чтоб не уставал, как лошади, и чтоб работал эффективно. » Его мечта сбылась после встречи с Джеймсом Уаттом. На свет появился паровой двигатель.
Пар привел в движение машины, совершившие промышленную революцию. Появились первые поезда и пароходы. С тех пор жизнь людей очень изменилась.
Однажды в 1764 году в шотландском городе Глазго в мастерскую принесли для починки модель парового двигателя. Это была миниатюрная модель двигателя Ньюкомена из коллекции научных экспонатов местного университета. Мастерская принадлежала Джеймсу Уатту — научному консультанту университета, которому в то время было 28 лет.
Однотактное чудо
Джеймс Уатт (1736-1819) произвел переворот в технике, сконструировав первый паровой двигатель с теплообменником
Двигатель Ньюкомена был изобретен примерно пятьюдесятью годами раньше и использовался для откачки воды в горнодобывающих шахтах. По сравнению с ранним паровым насосом этот двигатель был более совершенным, но он работал неэффективно. Он потреблял очень много топлива и сотрясал все вокруг.
Эти недостатки не очень важны, если использовать двигатель на угольной шахте: тут сколько угодно дешевого угля и никому не мешает тряска. Но у других возможных потребителей у кого не было дешевого топлива и кому требовалось, чтобы двигатель работал ровно, эта конструкция интереса не вызывала.
Задавая вопросы
Джеймс Уатт починил университетскую модель двигателя. Он в первый раз видел двигатель Ньюкомена и изучил его с большим интересом. Почему он такой неэффективный? Почему движение сопровождается такой тряской? Почему он потребляет столько угля?
Двигатель Ньюкомена был одноцилиндровым. Внутри цилиндра двигался поршень, соединенный с балансиром, который приводил в движение насос. Пар из котла попадал в цилиндр снизу и заставлял подниматься поршень, а тот, в свою очередь,— балансир. Затем в цилиндр подавалась холодная вода — пар конденсировался,давление, падало, и поршень опускался. Каждый раз, когда внутрь поступает холодная вода, пар конденсируется, и топливо, затраченное на то, чтобы произвести этот пар, пропадает напрасно. Для очередного подъема поршня нужен новый пар — значит, нужно снова нагревать котел, расходуя дополнительное топливо.
Сокращая расходы на топливо
Решение, предложенное Уаттом, заключалось в следующем: надо добавить второй цилиндр, называемый теплообменником, и соединить его с первым. Отработанный пар будет конденсироваться в теплообменнике, а первый цилиндр будет все время оставаться горячим — это сэкономит количество потребляемого топлива. На деле оказалось, что двигатель Уатта расходует лишь четверть того количества топлива, которое требовалось раньше.
Джеймс Уатт был ученым и изобретателем, а не бизнесменом. Если бы не Мэтью Болтон, замыслы Уатта так бы и остались в чертежах. Появившийся на свет при финансовой поддержке Болтона теплообменник был только первым вкладом Уатта в конструкцию паровой машины, за которым последовали другие. Промышленная революция свела вместе изобретателей, у которых были интересные идеи, и деловых людей, у которых были капиталы, чтобы воплотить эти идеи в конкретные дела, приносящие доход.
Его идеи не сразу принесли ему славу и богатство. Подобно многим другим изобретателям, Уатт не мог найти денег, чтобы воплотить свои замыслы в жизнь. Прошло двенадцать лет, прежде чем был продан первый из его двигателей. В 1776 году Уатт стал партнером бирмингемского промышленника Мэтью Болтона (1728—1809), и Болтон помог ему наладить производство паровых машин.
И это было только начало. Уатт продолжал улучшать и совершенствовать механизм и наконец изобрел способ преобразовывать поступательное движение поршня во вращательное.
Пар завоевывает мир
Паровая машина Ньюкомена, впервые установленная в 1712 году.
Это был настоящий прорыв. Вращательное движение могло найти гораздо более широкий круг применений. От коленчатого вала можно при помощи приводных ремней передать движение на ткацкие и другие станки. Теперь пар мог заставить крутиться колеса самодвижущихся экипажей.
Первые попытки использовать пар для создания новых средств передвижения были предприняты в 70-х годах XVIII века. Эти машины передвигались по дорогам, но пройдет немного времени, и люди найдут другое применение паровому двигателю— железные дороги. Уатт дожил до 1819 года и мог увидеть начало промышленной революции, которую подтолкнуло его изобретение, но он не дожил шести лет до начала эры железных дорог.
Век пара
К середине XIX столетия всю промышленность «двигал пар». Теперь все, от тканей до пушек, производили с помощью паровых машин. Паровозы тянули поезда; даже оборудование для строительства железных дорог оснащалось паровыми двигателями. И на море парус постепенно сдавал свои позиции паровой машине.
Однако промышленная революция заключалась не только в изменении технологии производства, хотя это и было важно. Строительство новых машин и фабрик требовало денег, которые надо было заплатить задолго до того, как фабрики начнут приносить прибыль. Точно так же, как Уатту для финансовой поддержки его замыслов был нужен Болтон, для успеха промышленной революции нужны были богатые люди, готовые вложить свои деньги в дело.
Промышленная революция стала также революцией капиталистической. Начали основываться компании, банки поспешили вкладывать деньги в промышленность, появились деловые люди, зарабатывающие на жизнь тем, что сводили вместе научные идеи и капиталы.
Французский военный инженер Жозеф Кюньо построил повозку, приводимую в движение паром, около 1771 года. Она могла ехать со скоростью 3,6 км/ч и при этом везти четырех человек.
Победители и проигравшие
А что же стало с простыми людьми, которые не были ни изобретателями, ни банкирами, ни капиталистами? Паровой двигатель изменил жизнь многих из них. В XVIII веке ткани, например, производились в небольших мастерских на оборудовании, приводившемся в движение вручную. Очень часто в мастерской работала одна семья. На новых фабриках ткани стали делать на станках, работающих от парового двигателя. Работа была несложная и не требовала большого умения, поэтому рабочих-мужчин заменили женщины и даже дети.
Появилось много новых рабочих мест, но труд на фабриках был изматывающим и монотонным. Люди начали стекаться в большие промышленные города, где им приходилось жить в ужасной тесноте и дышать отравленным воздухом, потому что фабричные трубы изрыгали тучи дыма и копоти. В то же время промышленности требовалось все больше и больше угля, шахтерам приходилось опускаться все глубже под землю, и их труд становился все опаснее.
На смену пару
Эпоха паровых машин закончилась в 50-х годах нашего века. Она длилась больше 150 лет. Сегодня промышленность работает на электричестве. Больше нет пароходов, а топливом для машин и поездов служит нефть. Но огромные изменения, происшедшие за последние два века, были начаты Джеймсом Уаттом и его паровым двигателем.
Не все эти изменения были к лучшему. Соперничество между промышленными державами привело в XX веке к двум мировым войнам. До сих пор существует гигантская пропасть между промышленно развитыми странами и остальным миром. Миллионы людей, работающих на фабриках, хотели бы иметь возможность зарабатывать себе на жизнь как-нибудь по-другому. Когда Джеймс Уатт усовершенствовал двигатель Ньюкомена, он положил начало тем изменениям, что неузнаваемо преобразили облик мира.