Создание универсального парового двигателя

В последней трети XVII в. в качестве движущей силы начинают использовать силу пороха и пара. В 1673г. Х.Гюйгенс представил в Парижскую академию наук проект порохового двигателя в форме цилиндра с поршнем: порох, взрываясь под поршнем, должен был толкать его вверх. После остывания пороховых газов поршень должен был под атмосферным давлением опуститься вниз. Существенных результатов проект не дал, хотя эксперименты продолжались два года (ведь это был прообраз двигателя внутреннего сгорания!).

Еще в 1666 г. Х. Гюйгенс предлагал использовать вместо пороха силу пара. Эту идею развил Дени Папен (1647–1712) – французский физик, который был помощником Гюйгенса при создании им порохового двигателя. В 1690 г. он предложил проект поршневой пароатмосферной машины. В цилиндр наливали воду, которую подогревали огнем и получали пар, поднимавший поршень до верхнего уровня. Затем упором фиксировался шток. Огонь убирался, и цилиндр охлаждался водой. В результате пар конденсировался и под поршнем создавался вакуум. Когда убирался упор, то поршень под давлением атмосферы опускался, что позволяло штоку через систему блоков поднимать груз на определенную высоту. В 1705–1706 гг. Дени Папен предложил более совершенную конструкцию своей машины, но все это не нашло широкого практического применения.

В 1698 г. Томас Севери (1650-1715) в Англии построил первую практически применимую паровую машину (“Друг рудокопов”), предназначенную для откачки грунтовой воды из шахт. В схеме парового насоса Т. Севери (рис.14) паровой котел был отделен от рабочего сосуда, однако работа пара (расширение) и его конденсация по-прежнему происходили в одном и том же объеме. Пар, поступая из котла в сосуд, вытеснял оттуда воду в нагнетающую трубу через нагнетательный клапан, затем закрывался паровой кран, а сосуд обливался холодной водой с помощью водяного крана, в результате чего пар конденсировался. Под давлением атмосферы (вакуума в сосуде) вода из шахты через всасывающий клапан поднималась в сосуд. И цикл повторялся. Длина всасывающей трубы не превышала 10 м; высота нагнетательной трубы была около 30 м; давление в рабочем сосуде не превосходило 3 атм; расход угля составлял 80 кг/1 л.с. в час. Ни цилиндра, ни поршня в этой машине не было. Машина предназначалась только для откачки воды, и пар непосредственно воздействовал на перекачиваемую воду. Такая машина была первой паровой машиной, приобретенной в России Петром I для обслуживания фонтана в Летнем саду С-Петербурга.

В 1711–1712 г. англичанин, кузнечный мастер Томас Ньюкомен (1663–1729) совместно с Джоном Коули построил первую паровую поршневую машину. Внутри вертикального рабочего цилиндра двигался поршень, связанный с одним концом балансира, другой конец балансира был соединен со штангами водоотливного насоса. В этой машине движение поршня вверх (холостой ход) совершалось под действием пара, поступавшего под поршень из парового котла. Движение вниз (рабочий ход) осуществлялось под действием атмосферного давления, после того как пар под поршнем охлаждался впрыском холодной воды. Цикл заканчивался после удаления конденсата из рабочей камеры через специальный сливной кран.

Машина Т. Ньюкомена совершенствовалась более полувека, в том числе И.И. Ползуновым (1763–1765) и Дж.Уаттом (1769–1774), но широкого применения, кроме откачки воды, не получила. Эти первые паровые машины не применялись для непосредственного приведения в движение каких-либо механизмов, хотя теоретически это допускалось.

Иван Иванович Ползунов (1729–1766) изобрел и построил в 60-х годах XVIII в. в России первую универсальную паровую двухцилиндровую машину с автоматическим пароводяным распределительным устройством.

Рис.14. Схема парового насоса Томаса Севери

Паровой двигатель Джеймса Уатта

С именем английского теплотехника Джеймса Уатта (1736–1819) связан революционный скачок в создании паровой машины, над которой он начал работать с 1764 г. Основные особенности его универсального парового двигателя (рис.15) заключаются в следующем:

1. Наличие отдельного конденсатора обеспечивающего охлаждение пара вне рабочего цилиндра в специальной емкости.

2. Использование рабочего цилиндра двойного действия, в котором пар попеременно действует то на одну, то на другую стороны поршня.

3. Автоматическое золотниковое распределительное устройство – специальное приспособление для подачи пара в разные полости цилиндра, приводимое в движение с помощью рычажной системы от штока рабочего поршня.

4. Применение махового колеса для выравнивания скорости вращательного движения.

5. Механизмы и передачи для преобразования возвратно-поступательного движения штока рабочего цилиндра в другие виды механического движения (в частности, во вращательное движение главного вала паровой машины).

6. Механический центробежный регулятор оборотов, который обеспечивал постоянство скорости вращения главного вала машины, изменяя подачу пара в рабочий цилиндр.

Рис.15. Схема паровой машины Джеймса Уатта

В 1785 г. первый двигатель Д.Уатта был установлен на прядильной фабрике. Затем эти двигатели стали внедряться во все отрасли промышленности Англии, Франции, США, России. Первый в мире пароход «Клермонт» Роберта Фултона (1765-1815) был спущен на воду в США в 1807 г. Первый паровоз «Ракета» был построен в Англии в 1814г. Джорджем Стефенсоном (1781–1848) (хотя еще в 1803 г. самый первый паровоз сконструировал англичанин Р. Тревитик).

Первое описание машины Д.Уатта в России было дано в 1787 г., а в 90-е годы их уже стали изготавливать на заводах России.

В первых паровых двигателях Д. Уатта давление пара лишь немного превышало атмосферное. В конце XVIII в. стали повышать давление пара. Американец О. Эвенс в 1800 г. обосновал повышение давления до 8–10 атм, а в 1822 г. проводились опыты по созданию двигателей с давлением в 45–50 атм, что опередило запросы того времени. Золотниковое распределение заменили клапанным. Некоторые паросиловые установки имели в 1860 –1870 гг. мощность в 1000 л.с.

Вплоть до 1860–1870г. паровая машина двойного действия была основным двигателем любой силовой установки, и такие двигатели использовались в некоторых странах на пароходах и паровозах до 60-х годов ХХ века (т.е. почти 200 лет). При фабриках и заводах строились котельные и машинные отделения, откуда паровые двигатели передавали вращательное движение трансмиссионными валами в производственные цехи к станкам и технологическим механизмам. В 1830 году появляются локомобили – передвижные несамоходные паровые двигатели, используемые в сельском хозяйстве и в строительстве.

Именно распространение паросиловых установок и необходимость их расчетов и проектирования определило появление и дальнейшее развитие теории автоматических машин и теории автоматического регулирования и управления.

В 1860 г. французским изобретателем Этьеном Ленуаром был предложен двигатель внутреннего сгорания с электрическим зажиганием газа, однако КПД этого двигателя был очень низок. В 1862 г. французский инженер Бо-де-Роша получил патент на двигатель внутреннего сгорания четырехтактного цикла, который был реализован лишь в 1878 году, он же в 70-е годы 19-го столетия предложил для паровых машин передаточный механизм - дифференциал.

Еще в 1820–1830 гг. появились первые электродвигатели (П. Барроу, Дж. Генри, У. Риччилф). Источником тока для них служили гальванические элементы, поэтому практического использования эти электродвигатели не нашли. В 1834г. русский ученый Борис Семенович Якоби (1801–1874) построил первый практически применимый электромагнитный двигатель. В 1838–1839гг. он использовал его на водяном транспорте. Но время таких двигателей еще не пришло.

Дата добавления: 2014-01-03