В каком году был создан первый паровой двигатель

15 декабря 2014 в 12:52 (МСК) | сохранено

22 декабря 2014 в 12:53 (МСК) 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.
Геро́н Александри́йский — Великий механник, программист, крутой шоумен и вообще занятный мужикГерона 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.»

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-АсадиВ 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.

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

Паровые машины. Часть первая — двигатель

Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразует энергию пара в механическую работу.

Изобретение паровых машин стало переломным моментом в истории человечества. Где-то на рубеже XVII-XVIII веков началась замена малоэффективного ручного труда, водяных колес и ветряных мельниц на совершенно новые и уникальные механизмы – паровые двигатели. Именно благодаря им стали возможны техническая и промышленная революции, да и весь последующий прогресс человечества.

Первые опыты использования пара в механике были предприняты еще на заре нашей эры Героном Александрийским. Его устройство представляло собой шар с двумя закрученными выходными трубками-соплами, выходя из которых пар приводил шар в движение. Машина получила название эолипил или «сфера Герона».

Существует предположение, что сам Герон непричастен к созданию данного механизма – он лишь первый его описал в своем труде «Пневматика», а сами лавры изобретателя принадлежат Ктесибию Александрийскому, жившему на 300 лет ранее.

Однако в любом случае устройство, в силу своей ненадобности, было забыто более чем на полторы тысячи лет.

Позднее, уже в XVI веке, арабский философ и изобретатель Таги-аль-Диноме усовершенствовал машину Герона, заменив шар на колесо, приводимое в движение струей пара, направленной прямо на лопасти колеса. Нечто похоже предлагал позднее и итальянский инженер Джованни Бранка.

Машина, именованная паровой турбиной, имела один очень большой недостаток – огромный расход пара, а соответственно и низкий коэффициент полезного действия.

И снова дальнейшего развития работа над паровой машиной не получила – все еще не была ясна сфера применения данных исследований.

В 17 века были созданы ещё две модели: в Испании двигатель сконструировал Аянс де Бомонт, а в Англии Эдвард Сомерсет в 1663 году установил паровую установку для закачки воды в Большую башню замка Реглан. Но все проекты быстро сворачивались и забывались. Тогда, как впрочем, и сейчас все новое не воспринималось большинством, и деньги на разработку никто давать не решался.

И вот, наконец, к концу века французский врач Дени Папен изобрел первый паровой котел. В 1674 году медик-изобретатель создал пороховой двигатель. Его работа заключалась в том, что при возгорании пороха в цилиндре перемещался поршень.

В цилиндре образовывался слабый вакуум, и атмосферное давление возвращало поршень на место. Образующиеся при этом газообразные элементы выходили через клапан, а оставшиеся охлаждались. К 1698 году Папену удалось создать по такому же принципу агрегат, работающий не на порохе, а на воде.

Таким образом, первая паровая машина была создана. Несмотря на существенный прогресс, к которому могла привести идея, существенной выгоды она своему изобретателю не принесла.

Связано это было с тем, что ранее другой механик, Сейвери, уже запатентовал паровой насос, а другого применения для подобных агрегатов к этому времени еще не придумали.

Конечно, Папена это не остановило. На свои последние сбережения потратил на приобретение небольшого судна, на котором занялся установкой водоподъемной пароатмосферной машины собственного производства. Механизм действия заключался в том, чтобы, падая с высоты, вода начинала вращать колеса.

Свои испытания изобретатель проводил в 1707 году на реке Фульде. Много народу собралось, чтобы посмотреть на чудо: двигающееся по реке судно без парусов и весел.

Однако во время испытаний произошла катастрофа: взорвался двигатель и погибли несколько человек. Власти разозлились на неудачливого изобретателя и запретили ему какие-либо работы и проекты.

Судно конфисковали и разрушили, а через несколько лет скончался и сам Папен.

Более удачливым в плане дивидендов оказался англичанин Ньюкомен. Когда Папен создал свою машину, Томасу было 35 лет. Он внимательно изучил работы Сэйвери и Папена и смог понять недостатки обеих конструкций. Из них он взял все лучшие идеи. Уже к 1712 году он создал свою первую модель.

Агрегат Ньюкомена поднимал воду из копей с помощью воздействия атмосферного давления. Машина отличалась солидными размерами и требовала для работы большого количества угля. Несмотря на эти недостатки, модель Ньюкомена использовали в шахтах полвека. Она даже позволила вновь открыть шахты, которые были заброшены из-за подтопления грунтовыми водами.

В 1722 году детище Ньюкомена доказало свою эффективность, откачав воду из корабля в Кронштадте всего за две недели. Система с ветряной мельницей смогла бы сделать это за год. Из-за того, что машина была создана на основе ранних вариантов, английский механик не смог получить на нее патент. Конструкторы пытались применить изобретение для движения транспортного средства, но неудачно.

На этом история изобретения паровых машин не прекратилась.

Годы шли. И промышленная революция накрывала все больше и больше стран. Первенство и лидерство среди других держав доставалось неизменно Англии.

К концу восемнадцатого века именно Великобритания стала создательницей крупной промышленности, благодаря чему завоевала титул всемирной монополистки в данной отрасли.

Вопрос о механическом двигателе с каждым днем становился все более актуальным. И такой двигатель был создан.

1784 год стал для Англии и для всего мира переломным моментом в промышленной революции. И человеком, ответственным за это, стал английский механик Джеймс Уатт. Паровая машина, которую он создал, стала самым громким открытием века.

На основании предыдущих опытов работ по созданию пароатмосферных машин он сделал вывод, что для эффективности работы двигателя необходимо сравнять температуры воды в цилиндре и пара, который попадает в механизм.

Новая паровая машина была сконструирована так, что цилиндр, заключенный в специальную рубашку из пара, постоянно находился в нагретом состоянии. Кроме того, Уатт так же создал специальный сосуд, погруженный в холодную воду – конденсатор.

Когда пар отрабатывался в цилиндре, то через трубу попадал в конденсатор и там превращался обратно в воду.

Таким образом, весь пар, попадавший из цилиндра, конденсировался в нем. Благодаря этому нововведению очень сильно увеличивался процесс расширения пара, что в свою очередь позволяло извлекать из того же количества пара намного больше энергии.

Это был венец успеха. Создатель паровой машины также изменил и принцип подачи воздуха. Теперь пар попадал сначала под поршень, тем самым поднимая его, а затем собирался над поршнем, опуская.

Таким образом, оба хода поршня в механизме стали рабочими, что ранее даже не представлялось возможным. А расход угля на одну лошадиную силу был в четыре раза меньше, чем, соответственно, у пароатмосферных машин, чего и добивался Джеймс Уатт.

Паровая машина очень быстро завоевала сначала Великобританию, ну а затем и целый мир.

История развития — Паровая машина

К великому сожалению, многие удивительные изобретения древних греков на долгие столетия были прочно забыты. Лишь к XVII столетию относится описание чего-то, похожего на паровую машину. Француз Соломон де Ко, бывший одно время строителем и инженером у Фридриха V Пфальцского, в своем сочинении от 1615 года описал полый железный шар с двумя трубками: принимающей и выводящей жидкость. Если наполнить шар водой и подогреть, то по второй трубке вода начнет подниматься наверх, повинуясь воздействию паров.

В 1663 году уже англичанин Эдвард Сомерсет, маркиз Уорчестерский, написал брошюру, в которой рассказал о машине, способной поднимать воду наверх. Тогда же Сомерсет получил патент на описанную машину.

Как видим, все мысли изобретателей Нового времени вращались вокруг выкачивания воды из шахт и копей, что, надо отметить, проистекало из насущной задачи. Поэтому неудивительно, что следующие три изобретателя, о которых пойдет речь ниже, также были в первую очередь озабочены созданием паровой машины для откачки воды.

Ближе к самому завершению XVII века два человека в Европе результативнее других работали над укрощением пара — Дени Папен и Томас Сэйвери.

Машина Томаса Сэйвери

Англичанин Сэйвери 2 июля 1698 года получил патент на машину для откачки воды из шахт.

В патенте говорилось: «Жалуется привилегия Томасу Сэйвери за проведенное им одним испытания нового изобретения для подъема воды, вращения любых видов мельниц путем сил огня, что будет очень важно для осушения шахт, снабжения городов водой и вращения всех видов мельниц». Опытный образец под названием «Огненный мотор» в 1699 году был выставлен напоказ в Королевском Научном обществе в Лондоне.

Машина Сэйвери функционировала таким образом: герметичный резервуар наполнялся паром, а после внешнюю поверхность резервуара охлаждали холодной водой, из-за чего пар конденсировался, создавая в резервуаре частичный вакуум. Затем вода со дна со дна шахты через заборную трубу засасывалась в резервуар и, после впуска новой порции пара, выталкивалась наружу через выпускную трубу.

Стоит отметить, что изобретение Сэйвери походило на машину Сомерсета, и многие полагают, что Сэйвери напрямую отталкивался от последней.

К сожалению, у «огненной» машины Сэйвери нашлись недостатки. Самый главный из них — невозможность поднимать воду с глубины более 15 метров, хотя в то время уже существовали шахты, чья глубина превышала 100 метров. Кроме того, машина потребляла очень много топлива, что не было оправдано даже близостью большого количества угля на шахте.

Француз Дени Папен, медик по образованию, в 1675 году переехал в Лондон. Папен сделал несколько открытий, которые навечно вписали его имя в историю. Для начала Папен изобретает скороварку — «Папенов котел».

Бывший медик смог установить зависимость между давлением и температурой кипения воды.

Герметичный котел с предохранительным клапаном благодаря повышенному давлению внутри доводил воду до кипения гораздо позже, поэтому температура обработки продуктов повышалась и последние готовились в разы быстрее.

Паровая машина Дени Папена

В 1674 году Папен создал пороховой двигатель: в цилиндре воспламенялся порох, отчего поршень внутри цилиндра перемещался. Одна «партия» газов выпускалась из цилиндра через специальный клапан, а другая — охлаждалась. В цилиндре образовывался вакуум (пусть и слабенький), и атмосферное давление опускало поршень вниз.

В 1698 году Папен изобретает паровую машину с применением воды, которая нагревалась внутри вертикального цилиндра — образовавшийся пар двигал поршень вверх. Затем цилиндр охлаждали водой, пар конденсировался и возникал вакуум. Все то же атмосферное давление заставляло поршень опускаться.

Несмотря на прогрессивность своей машины (наличие поршня), Папен не смог извлечь из нее каких-либо значимых дивидендов, поскольку Сэйвери запатентовал паровой насос, а других способов применения для паровых машин на тот момент не наблюдалось (хотя в патенте Сэйвери и указывалась возможность «вращения мельниц»). В 1714 году, в столице Британской империи, Папен скончался в нужде и одиночестве.

Томас Ньюкомен

Гораздо более удачливым оказался другой англичанин — Томас Ньюкомен, родившийся в 1663 году. Ньюкомен внимательно ознакомился с работами и Сэйвери, и Папена, отчего смог понять слабые места прежних машин, одновременно взяв от них самое лучшее.

В 1712 году вместе со стекольщиком и водопроводчиком Джоном Калли он строит свою первую паровую машину. В ней использовался вертикальный цилиндр с поршнем, как у машины Папена. Однако пар образовывался в отдельном паровом котле, что было схоже с принципом действия «огненной» машины Сэйвери.

Герметичность внутри парового цилиндра была повышена за счет кожи, которая закреплялась вокруг поршня.

Машина Ньюкомена тоже являлась пароатмосферной, т.е. подъем воды из шахты осуществлялся при воздействии атмосферного давления. Она была довольно громоздкой и «поедала» много угля.

Тем не менее, практической пользы машина Ньюкомена приносила несравненно больше, отчего ее почти полстолетия применяли в шахтах.

В Англии, например, она позволила вновь открыть заброшенные шахты, которые затопило грунтовыми водами.

И еще один яркий пример эффективности машины Ньюкомена — в 1722 году в Кронштадте в сухом доке воду из корабля откачали в течение двух недель, в то время как с устаревшей системой откачки с помощью ветряных мельниц на это ушел бы год.

Несмотря на все это, Томас Ньюкомен не получил патент на свою паровую машину из-за патента Сэйвери.

Возможность применения паровой машины Ньюкомена с целью приведения в движение транспортного средства конструкторами рассматривалась, в частности, для привода гребного колеса на судне. Однако попытки успехом не увенчались.

Паровая машина Уатта

Изобрести компактную, но мощную паровую машину довелось Джеймсу Уатту. В 1763 году Уатту, механику университета Глазго, дали задание починить паровую машину Ньюкомена. В процессе ремонта Уатт приходит к следующей идее — цилиндр паровой машины нужно держать постоянно нагретым, что резко сократит расход топлива. Оставалось лишь понять, как в таком случае конденсировать пар.

Осенило Уатта, когда он совершал вечерний моцион возле прачечных. При виде облаков пара, стремящихся выбраться из-под крышек котлов, изобретатель вдруг осознал, что пар является газом, и он должен перемещаться в цилиндр с пониженным давлением.

Уатт решительно берется за дело. Он применяет водяной насос и металлические трубки, из которых насос станет откачивать воду и пар, создавая в последних пониженное давление, а оно, из трубок, начнет передаваться в рабочий цилиндр паровой машины.

Для рабочего хода Уатт применяет давление пара, отказываясь тем самым от атмосферного давления, что стало большим шагом вперед. Для этой цели, чтобы пар не проходил между цилиндром и поршнем, пеньковой веревкой, пропитанной маслом, обматывали поршень вдоль специальных бороздок. Такой способ позволял добиться достаточно высокой герметичности внутри парового цилиндра.

В 1769 году Уатт получил патент на «создание парового двигателя, в котором температура двигателя всегда будет равна температуре пара, несмотря на то, что пар будет охлаждаться до температуры ниже ста градусов».

В 1772 году Джеймс Уатт свел знакомство с промышленником Мэтью Болтоном. Этот богатый господин выкупил и возвратил Уатту все его патенты, которые незадачливый изобретатель вынужден был заложить за долги. При поддержке Болтона работа Уатта ускорилась. Уже в 1773-м Уатт испытывает свою паровую машину; она выполняла все ту же функцию парового насоса, но угля требовала гораздо меньше.

Видя очевидные преимущества машины Уатта, Болтон открывает совместную с изобретателем компанию по производству паровых машин, и в 1774 году в Англии начинается их выпуск. Реализация паровых машин шла настолько хорошо, что Болтон захотел построить новый прокатный цех, для чего попросил Уатта создать специальную паровую машину — для привода прокатных станков.

Уатт блестяще справился с задачей, и в 1781 году запатентовал паровую машину «для осуществления движения вокруг оси с целью приведения в действие других машин». Таким образом, на свет появилась первая паровая машина не для поднятия воды со дна шахт, а для приведения в движение машин.

Новая машина Уатта обладала рядом усовершенствований. Например, регулятором для равномерного вращения главного вала паровой машины, а также планетарным механизмом для создания кругового движения.

Последний Уатт изобретает потому, что применить кривошипно-шатунный механизм ему не позволяет действующий патент.

Но в 1784 году Уатту все же удалось добиться разрешения на использование в паровой машине кривошипно-шатунного механизма.

Таким образом, созданная Уаттом первая в мире универсальная паровая машина стала приводить в движение промышленные станки, возвещая о приходе эры паровых машин. Очень скоро пар станет двигать пароходы и поезда, благодаря чему жизнь человека в корне изменится.

Огромные заслуги Джеймса Уатта не прошли незамеченными для потомков — в 1819 году приказом английского парламента в Вестминстерском аббатстве великому изобретателю поставили мраморный памятник.

Паровая машина Ползунова

В апреле 1763 года, Ползунов предлагает проект своей паровой машины. Надо отметить, что в России того времени, паровые машины практически не использовались и всю информацию ползунов получил из книги “Обстоятельное наставление рудокопному делу” изданную в 1960г. В нем описывалась паровая машина Ньюкомена.Ползунов модернизирует ее, для обеспечения непрерывной работы он предлагает использовать два цилиндра, вместо одного в паровой машине Ньюкомена. Ползунов предлагал использовать свою паровую машину для привода в движение мехов плавильных печей.

Изобретение парового двигателя

Изобретение парового двигателя

Схема паровой машины Джеймса Уатта (1775 г.)

Процесс изобретения парового двигателя, как это часто бывает в технике, растянулся чуть ли не на столетие, поэтому выбор даты для этого события достаточно условен. Впрочем, никем не отрицается, что прорыв, приведший к технологической революции, был осуществлен шотландцем Джеймсом Уаттом.

Над использованием пара в качестве рабочего тела люди задумывались еще в глубокой древности. Однако лишь на рубеже XVII–XVIII вв. удалось найти способ производить полезную работу с помощью пара. Одна из первых попыток поставить пар на службу человеку была предпринята в Англии в 1698 г.

: машина изобретателя Сэйвери предназначалась для осушения шахт и перекачивания воды. Правда, изобретение Сэйвери еще не было двигателем в полном смысле этого слова, поскольку, кроме нескольких клапанов, открывавшихся и закрывавшихся вручную, в нем не имелось подвижных частей.

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.

Первая паровая машина с поршнем была построена французом Дени Папеном в 1698 г. Вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем, и образовавшийся пар толкал поршень вверх.

Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень опускался вниз под действием атмосферного давления.

Посредством системы блоков паровая машина Папена могла приводить в действие различные механизмы, например насосы.

Более совершенную машину в 1712 г. построил английский кузнец Томас Ньюкомен. Как и в машине Папена, поршень перемещался в вертикальном цилиндре. 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 широко использовалась в Европе более 50 лет. В 1740-х годах машина с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняла работу, которую бригада из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, выполняла за неделю. И все-таки ее КПД был чрезвычайно низок.

Наиболее ярко промышленная революция проявилась в Англии, прежде всего в текстильной промышленности. Несоответствие предложения тканей и стремительно возрастающего спроса привлекло лучшие конструкторские умы к разработке прядильных и ткацких машин. В историю английской техники навсегда вошли имена Картрайта, Кея, Кромптона, Харгривса.

Но созданные ими прядильные и ткацкие станки нуждались в качественно новом, универсальном двигателе, который бы непрерывно и равномерно (именно этого не могло обеспечить водяное колесо) приводил станки в однонаправленное вращательное движение.

Вот здесь-то во всем своем блеске предстал талант знаменитого инженера, «волшебника из Гринока» Джеймса Уатта.

Уатт родился в шотландском городке Гринок в семье кораблестроителя.

Работая учеником в мастерских в Глазго, за первые два года Джеймс приобрел квалификацию гравировщика, мастера по изготовлению математических, геодезических, оптических приборов, различных навигационных инструментов.

По совету дяди-профессора Джеймс поступил в местный университет на должность механика. Именно здесь Уатт начал работать над паровыми машинами.

Джеймс Уатт пытался усовершенствовать пароатмосферную машину Ньюкомена, которая, в общем-то, годилась только для перекачивания воды. Ему было ясно, что основной недостаток машины Ньюкомена состоял в попеременном нагревании и охлаждении цилиндра. В 1765 г.

Уатт пришел к мысли, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если до конденсации отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. Кроме того, Уатт сделал еще несколько усовершенствований, окончательно превративших паро-атмосферную машину в паровую.

Например, он изобрел шарнирный механизм — «параллелограмм Уатта» (называется так потому, что часть звеньев — рычагов, входящих в его состав, образует параллелограмм), который преобразовывал возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение главного вала.

Теперь ткацкие станки могли работать непрерывно.

В 1776 г. машина Уатта прошла испытания. Ее КПД оказался вдвое больше, чем у машины Ньюкомена. В 1782 г. Уатт создал первую универсальную паровую машину двойного действия. 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[102] 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 на прядильных и ткацких фабриках, а позже и на других промышленных предприятиях. Двигатель Уатта годился для любой машины, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самодвижущихся механизмов.

Паровая машина Уатта поистине стала изобретением века, положившим начало промышленной революции. Но изобретатель на этом не ограничился. Соседи не раз с удивлением наблюдали за тем, как Уатт гоняет по лугу лошадей, тянущих специально подобранные тяжести. Так появилась единица мощности — лошадиная сила, получившая впоследствии всеобщее признание.

К сожалению, финансовые трудности вынудили Уатта уже в зрелом возрасте проводить геодезические изыскания, работать на строительстве каналов, сооружать порты и пристани, пойти, наконец, на экономически кабальный союз с предпринимателем Джоном Ребеком, потерпевшим вскоре полный финансовый крах.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Паровой двигатель создали три века назад — он изменил мир сильнее, чем смартфоны и интернет

Наука и технологии Ровно 322 года назад, 2 июля 1698 года английский ученый Томас Севери запатентовал первый паровой двигатель.

Полностью его труд звучит так: «новое изобретение для подъема воды для всех видов мельниц с помощью двигательной силы огня.» Впоследствии механизм нарекли «Машиной Севери» или «огненным двигателем». Патент был выдан сроком на 14 лет, а позже продлен до 21 года.

Как паровые двигатели изменили облик всего мира

По словам ученого, это изобретение произошло абсолютно случайно. На самом деле, «Машина Севери» — это всего лишь паровой насос. В основу его конструкции не входили цилиндр с поршнем или какие-либо другие детали, приводимые в движение.

Однако пар для работы насоса генерировался в отдельном котле. Именно это открытие впоследствии позволило другим ученым разработать и внедрить в механические устройства реальные паровые двигатели.

«Машина Севери», в свою очередь, отличалась низкой эффективностью и прерывистой работой (воду приходилось откачивать разными порциями).

Первый прототип паровоза (поезда, оснащенного паровым двигателем) был построен в 1769 году военным инженером Николя-Жозе Кюньо. Именно паровой двигатель привёл к взрывному росту промышленности в XVIII-XIX веках.

Железнодорожные составы, корабли, водяные насосы, станки на заводах и фабриках, котельные, первая моторизированная сельская техника, деревообрабатывающие предприятия, ранние автомобили и грузовики — буквально всё держалось на паровых двигателях, пока их не заменили электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания в конце XIX — начале XX веков.

Именно на таких двигателях, примитивных и проблемных по современным меркам, двигателях обработка и логистика материалов постепенно пришли в кондицию, при которой мир стал готов к внедрению цифровых высокотехнологичных продуктов, как интернет и смартфоны. Без «гонки вооружений» в транспорте и технологичных заводах мир бы ещё долго стагнировал.

Да что и говорить — до изобретения парового двигателя путешествовать между городами было большой проблемой, а до поездов по железной дороге ездили… лошади, которые были медленными и быстро уставали.

Кстати, немного позже именно Севери впервые использовал такое понятие, как «лошадиная сила».

…1900 года был совершен первый полет на дирижабле жесткого типа. Воздушный аппарат под названием LZ-1 (Luftschiff Zeppelin) спроектировал и создал граф Фердинанд фон Цеппелин. Всего история цепеллинов насчитывает 119 моделей, большая часть из которых поставлялась армии и флоту. LZ-1 стал первым дирижаблем, созданным из алюминия.

Длина аппарата составляла 128 метров (дирижабль собирали на воде) при диаметре 11,7 м. Каркас аппарата (две гондолы) был создан из алюминия. В его основе лежали два двигателя мощностью 14,7 л.с. каждый с общим весом 420 кг.

Моторы приводили во вращение по два алюминиевых винта диаметром до 1,25 м. Дирижабль был построен в плавучем эллинге на Боденском озере. Для безопасности летательный аппарат садился только на воду.

Затем при помощи 28 канатов дирижабль втягивался в эллинг.

Как родились и почему вымерли дирижабли?

Первая попытка запустить LZ-1 в небо, как мы уже отметили, осуществилась 2 июля. Экипаж летательного аппарата насчитывал пять человек. В итоге во время полета наблюдались серьезные прогибы ферм. Из-за них скорость полета снизилась до 15 км/ч.

Время нахождения в воздухе составило всего 18 минут. Плюс были получены повреждения при посадке на воду. Вторая попытка была совершена 17 октября — после капитального ремонта. А третья — 21 октября, в результате которой дирижабль поднялся на высоту 400 метров и разогнался до 28,1 км/ч.

Полет продолжался ровно 121 минуту.

К сожалению, даже относительно успешные экспериментальные полеты не убедили инвесторов вложиться в серийное производство «алюминиевых цепеллинов». В первую очередь сказалась высокая стоимость производства такого типа летательных аппаратов. Как это часто бывает в современном мире, разработка сильно опередила свое время.

2 июля 2001 года была совершена первая операция по имплантации «искусственного сердца». Девайс под названием AbioCor был установлен американцу Роберту Тулзу. К сожалению, 30 ноября 2001 года в возрасте 59 лет он скончался. Роберт прожил с «искусственным сердцем» ровно 151 день.

AbioCor разработан компанией Abiomed. Аппарат полностью располагается в организме пациента и работает от встроенного аккумулятора. Подзарядка батареи осуществляется от внешнего источника питания прямо через кожу. Таким образом, он не нуждается в проводах.

Можно ли выжить с современным искусственным сердцем?

Первое поколение AbioCor обладало рядом ограничений. Основные касались веса и роста пациента. Именно поэтому «искусственное сердце» вживляли только мужчинам.

Внутренняя батарея AbioCor позволяла пациенту свободно перемещаться в течение часа. При установленном внешнем источнике питания этот срок удваивался. Аппарат подзаряжался от обычной электросети.

Срок годности AbioCor составлял 18 месяцев.

К 2004 году «искусственным сердцем» от Abiomed обзавелись 14 пациентов. Аппарат назначался только тем, чья смерть, вызванная тяжелой сердечной недостаточностью, была неминуемой. Роберт Тулз продержался 151 день. На сегодняшний день существуют случаи, когда с «искусственным сердцем» пациенты проживали 10 и даже 17 месяцев.

Паровая машина

Паровая машина — тепловой двигатель, в котором потенциальная энергия пара, поступающего из парового котла, преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня.

Ра­бо­чий про­цесс паровой машины обу­слов­лен пе­рио­дическими из­ме­не­ния­ми дав­ле­ния па­ра в ци­лин­д­ре (пар, по­сту­паю­щий в ци­линдр паровой машины, рас­ши­ря­ет­ся и пе­ре­ме­ща­ет пор­шень).

Воз­врат­но-по­сту­пательное дви­же­ние порш­ня пре­об­ра­зу­ет­ся с по­мо­щью кри­во­шип­но­го ме­ха­низ­ма во вра­щательное дви­же­ние ва­ла.

В паровой машине двой­но­го дей­ст­вия (по­вы­ша­ет ско­рость ра­бо­ты, улуч­ша­ет плав­ность хо­да) пар, с по­мо­щью си­сте­мы па­ро­рас­пре­де­ле­ния, по­оче­рёд­но по­да­ёт­ся по обе сто­ро­ны ци­ли­нд­ра, от­ра­бо­тан­ный пар с дру­гой сто­ро­ны вы­хо­дит в ат­мо­сфе­ру или в кон­ден­сат. Для сни­же­ния те­п­ло­вых по­терь ци­линдр паровой машины ок­ру­жа­ет­ся па­ро­вой ру­баш­кой (ка­ме­ра для под­дер­жа­ния при­мер­но по­сто­ян­ной температуры сте­нок ци­лин­д­ра).

Паровые машины раз­де­ля­ют­ся по на­зна­че­нию — на ста­цио­нар­ные, не­ста­цио­нар­ные (пе­ре­движ­ные и транс­порт­ные); по ис­поль­зуе­мо­му па­ру — низ­ко­го дав­ле­ния (до 1,2 МПа), среднего дав­ле­ния (до 6 МПа), вы­со­ко­го дав­ле­ния (свыше 6 МПа); по чис­лу обо­ро­тов ва­ла — ти­хо­ход­ные (до 50 об/мин), бы­ст­ро­ход­ные (до 1000 об/мин); по дав­ле­нию вы­пус­кае­мо­го па­ра — кон­ден­са­ци­он­ные (дав­ле­ние в кон­ден­са­то­ре 0,01-0,02 МПа), вы­хлоп­ные (дав­ле­ние 0,11-0,12 МПа), те­п­ло­фи­кационные с от­бо­ром па­ра на на­гре­вательной це­ли или для па­ро­вых тур­бин (дав­ле­ни­ем от 0,12 МПа до 6 МПа) в за­ви­си­мо­сти от на­зна­че­ния от­бо­ра (например, ото­пле­ние, ре­ге­не­ра­ция, тех­но­ло­гические про­цес­сы); по рас­по­ло­же­нию ци­лин­д­ров — го­ри­зон­таль­ные, на­клон­ные, вер­ти­каль­ные; по чис­лу ци­лин­д­ров — од­но­ци­лин­д­ро­вые, мно­го­ци­лин­д­ро­вые, сдво­ен­ные, стро­ен­ные и другие, в ко­то­рых ка­ж­дый ци­линдр пи­та­ет­ся пер­вич­ным па­ром од­них и тех же па­ра­мет­ров (вклю­че­ны па­рал­лель­но). Раз­ли­ча­ют паровые машины мно­го­крат­но­го рас­ши­ре­ния, в ко­то­рых пар по­сле­до­ва­тель­но рас­ши­ря­ет­ся в 2, 3, 4 ци­лин­д­рах воз­рас­таю­ще­го объ­ё­ма, пе­ре­хо­дя из ци­лин­д­ра в ци­линдр че­рез так называемые ре­си­ве­ры (кол­лек­то­ры). Осо­бую груп­пу со­став­ля­ют пря­мо­точ­ные паровые машины, в ко­то­рых вы­пуск па­ра из по­лос­ти ци­лин­д­ра осу­ще­ст­в­ля­ет­ся кром­кой порш­ня (че­рез до­пол­нительное ок­но, от­кры­ваю­щее­ся порш­нем в кон­це ка­ж­дой фа­зы, че­рез ко­то­рое пар по­ки­да­ет ци­линдр), что по­вы­ша­ет эф­фек­тив­ность ма­ши­ны.

Пер­вое из­вест­ное уст­рой­ст­во, при­во­ди­мое в дви­же­ние па­ром (эо­ли­пил), бы­ло опи­са­но Ге­ро­ном Алек­сан­д­рий­ским. Пер­вые опы­ты с па­ром в ка­че­ст­ве сред­ст­ва для при­во­да про­во­ди­лись ещё в XVII веке. В 1680 году Д.

 Па­пен изо­брёл па­ро­вой ко­тёл, в 1698 году Т. Се­ве­ри изо­брёл паровую машину для от­кач­ки во­ды из шахт (па­ро­вой на­гне­та­тель­но-вса­сы­ваю­щий на­сос).

В 1707 году на­сос Се­ве­ри был вы­писан Пет­ром I и ус­та­нов­лен в Лет­нем са­ду в Санкт-Пе­тер­бур­ге для по­да­чи во­ды в фон­тан.

Со­вер­шен­ст­во­ва­ние и ин­тен­сив­ное ис­поль­зо­ва­ние паровой машины на­ча­лось с XVIII века, ко­гда основной не­дос­та­ток гид­ро­си­ло­вых ус­та­но­вок (за­ви­си­мость от ме­ст­ных ус­ло­вий) стал пре­пят­ст­во­вать раз­ви­тию ме­тал­лур­гических пред­при­ятий, вне­дре­нию в про­изводство пря­диль­ных, ткац­ких ма­шин и других.

В 1712 году Т. Нью­ко­мен изо­брёл паровую машину для при­во­да шахт­ных на­со­сов. В Рос­сии паровая машина Нью­ко­ме­на бы­ла ус­та­нов­ле­на в 1772 году в Крон­штад­те для от­кач­ки во­ды из до­ка. Пер­вая в Рос­сии паровая машина по­строе­на И.И. Пол­зу­но­вым в 1764-1766 годы для при­во­да воз­ду­хо­дув­ных ме­хов пла­виль­ных пе­чей.

Пер­вая паровая машина как уни­вер­саль­ный дви­га­тель впер­вые соз­да­на Дж. Уат­том в 1774-1784 годы. В Рос­сии Паровую машина Уат­та впер­вые ста­ли из­го­тов­лять под руководством К.К. Гас­кой­на на Алек­сан­д­ров­ской ма­ну­фак­ту­ре в 1805; од­на из ма­шин мощ­но­стью 60 л. с.

(44,1 кВт) в 1820 году бы­ла по­став­ле­на на Санкт-Пе­тербургский мо­нет­ный двор. На­чи­ная с 1820 года Е.А. и М.Е. Че­ре­па­но­вы по­строи­ли около 20 паровых машин мощ­но­стью от 2 до 60 л. с. (от 1,47 до 44,1 кВт).

Паровые машины ис­поль­зо­ва­лись как при­вод­ной дви­га­тель в на­сос­ных стан­ци­ях, па­ро­во­зах, па­ро­хо­дах, па­ро­вых ав­то­мо­би­лях и других транс­порт­ных сред­ст­вах.

Паровая машина уже ко 2-й половине XIX века дос­тиг­ла вы­со­кой сте­пе­ни со­вер­шен­ст­ва. За 100 лет раз­ви­тия мощ­ность паровой машины по­вы­си­лась от 5-10 л. с. (3,68–7,35 кВт) до 20000 л. с. (14,7 МВт); дав­ле­ние по­да­вае­мо­го па­ра от 0,01 МПа до 12 МПа; температура па­ра от 100 до 400 °C; чис­ло обо­ро­тов от 20-30 до 1000 об/мин.

Од­на­ко в середине XX века паровые машины бы­ли вы­тес­не­ны дви­га­те­ля­ми внутреннего сго­ра­ния, па­ро­вы­ми тур­би­на­ми, кпд ко­то­рых вы­ше.

В сво­ём раз­ви­тии паровые машины спо­соб­ст­во­ва­ли по­яв­ле­нию но­вых об­лас­тей зна­ния; со­здан­ные на ос­но­ве про­из­водственного опы­та паровые машины по­ста­ви­ли пе­ред учё­ны­ми ряд во­про­сов, раз­ре­ше­ние ко­то­рых соз­да­ло но­вую нау­ку — тех­ническую тер­мо­ди­на­ми­ку.

© Большая Российская Энциклопедия (БРЭ)

Литература

• Край­нов А. В., Шва­ло­ва Г.В. Ос­но­вы те­п­ло­энер­ге­ти­ки. Томск, 2011
• Те­п­ло­тех­ни­ка / Под ред. В. Н. Лу­ка­ни­на. 7-е изд. М., 2009
• Ли­пов Ю. М., Треть­я­ков Ю. М. Ко­тель­ные ус­та­нов­ки и па­ро­ге­не­ра­то­ры. 2-е изд. М.; Ижевск, 2005
• Жи­риц­кий Г. С. Па­ро­вые ма­ши­ны. 6-е изд. М., 1951