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.
История парового двигателя: эолипил Герона – одна из величайших забытых паровых машин в истории
Как Геронов шар стал началом развития паровых двигателей, которые изменили мир.
Почти за 1800 лет до начала промышленной революции древний инженер по имени Герон создал первый в мире паровой двигатель.
В давние времена культурная столица Римской империи Александрия, расположенная на средиземноморском побережье Египта, была местом зарождения и развития новых религий. Но именно здесь берет свое начало уникальное изобретение, которое в последующем перевернет мир. Речь идет о паровой машине Герона, созданной в 69 году н.эры.
Спустя почти полвека после правления Цезаря Августа империя приближалась к своему историческому пику, и новые религиозные течения начали проникать на ее территорию площадью 2,2 миллиона квадратных миль.
В городе быстро зарождались разнообразные мистические культы, практиковались новые формы поклонения и даже создавались совершенно новые боги из плавильного котла римских, греческих и египетских верований.
При таком количестве храмов, претендующих на звание истинных проводников божественной сущности, конкуренция за последователей была жесткой. Чтобы выделиться и привлечь внимание, греческие священники обратились к Герону, также известному как «механикос» («человек-машина»), с просьбой о разработке механизмов, демонстрирующих разные небесные и «божественные» явления.
Но грек-вундеркинд не полагался на благосклонность своего пантеона богов для создания невозможного. Вместо этого он использовал науку и инженерию, которые потом выпадут из поля зрения на многие сотни лет.
В древних храмах Герон применил силу гидравлики и пара, создавая поющих птиц, вспышки пламени и движущихся статуй в надежде внушить богобоязненным гражданам религиозный трепет.
В процессе создания таких рукотворных чудес он изобрел нечто, что изменило мир, – эолипил, также известный как Геронов шар или турбина. Это была, по сути, первая в мире паровая машина.
Кем был человек, стоящий за машинами
Герон – своего рода историческая загадка. Исследователи полагают, что он, скорее всего, был греческого происхождения и жил примерно в 10-70 годах нашей эры.
Будучи студентом, он любил исследовать полки огромной библиотеки в Александрийском университете и находился под сильным влиянием работ Ктесибия Александрийского – еще одного греческого изобретателя в птолемеевском Египте.
Став взрослым, он писал работы по математике и инженерии, которые были наполнены идеями, на столетия опередившими свое время. Эти книги включали в себя пошаговые схемы и подробные объяснения и, вероятно, разрабатывались как лекции или пособия, что свидетельствует о том, что Герон почти наверняка был преподавателем в Александрийском университете.
Он изобрел первую в мире монетную машину, использовавшуюся для раздачи вина в храмах, а также пожарную машину, водяной орган, разные механизмы для театра и механический «зверинец», демонстрировавший поющих птиц и кукол-марионеток.
К сожалению, большинство его работ было уничтожено во время разрушения Александрийской библиотеки, но некоторые сохранились благодаря арабским рукописям.
Вот еще несколько удивительных изобретений Герона:
Как видим, вклад этого человека в инженерное дело, науку и технологии просто потрясающий. В семи книгах, переживших сгоревшую Библиотеку, древний изобретатель исследует концепции автоматов, боевых машин, приводит формулы для вычисления площади и объема, а также рассуждает о природе света.
Но самая известная его работа – двухтомник под общим названием «Пневматика». Это одно из первых в мире исследований пара и гидравлической энергии, и на всех страницах автор использует религиозные статуи и иконографию в качестве примеров своих механических идей.
Одна из таких статуй, «Фигура 11: Возлияния у алтаря», демонстрирует женщину с кувшином и мужчину с чашей. Между ними алтарь, на котором поклоняющийся может зажечь огонь, а под их ногами находится камера с вином.
Как только прихожанин зажжет алтарь, по словам Герона, «воздух внутри опустится и окажет давление на содержащуюся внутри жидкость, которая, не имея другого пути к отступлению, пойдет через расположенные в статуях трубы, и возлияния не прекратятся, пока огонь не будет потушен». Позже в «Пневматике» Герон адаптирует ту же систему к дверям храма, заставляя их открываться.
В работах Герона много потрясающих вещей, но что действительно изменило мир, так это эолипил (Геронов шар).
Слово, обозначающее «ветряной шар» (в буквальном переводе «шар бога ветров Эола»), стало названием особого устройства – первого в мире зарегистрированного образца парового двигателя, или реактивной паровой турбины. «С современной точки зрения устройство Герона является демонстрацией принципа ракеты, то есть реактивной силы – сфера вращается в ответ на эмиссию (выброс) пара», – объясняет Пол Кейзер, специалист по древней технике.
wikipedia.org
Механизм состоял из полой сферы, установленной так, чтобы иметь возможность вращаться, когда пар выходил из двух выпускных отверстий, расположенных на экваторе котла. Наполовину заполненная водой сфера приходила в движение, как только под ней зажигался огонь: крутящий момент создавался непосредственно за счет образующегося пара.
Практическое применение эолипила Герона неизвестно, но большинство экспертов считают, что наряду с другими игрушками и изобретениями, описанными в «Pneumatica», он использовался для развлечения и вызывания ощущения чуда у зрителей. В его трудах нет четкого описания возможного использования прибора – Герон просто рассказывает, как его построить и как он работает.
Гарри Китсикопулус из Нью-Йоркского университета в своей книге «Инновации и распространение технологий: экономическая история ранней паровой энергии» рассуждает о том, что модифицированную версию эолипила могли использовать для создания храмовых чудес.
«К примеру, когда котел, спрятанный в полой фигуре идола, начнет производить пар и выводить его через трубку, проходящую через нос или рот. – пишет ученый, – выходящий пар создаст впечатление дышащей фигуры, вызывая у зрителей священный трепет».
Немало дебатов впоследствии велось вокруг «шара». Даже высказывались сомнения в том, действительно ли Герон был первым, кто изобрел эолипил. И небезосновательно. К примеру, кумир Герона, Ктесибий (285 г. до н. э. – 222 г. до н. э.) написал несколько трактатов о природе сжатого воздуха и его использовании в насосах.
Позже Витрувий (около 80 г. до н. э. – 15 г. до н. э.) описал устройство, тоже называемое эолипилом, которое состояло из металлического шара, частично заполненного водой и помещенного над огнем для производства пара, вытесняемого из отверстия наверху.
Но он не описывает никаких движущихся частей, что является ключевым отличием от видения Герона, к тому же определяет свой эолипил в «De Architectura» как «научное изобретение для открытия божественной истины, кроющейся в законах небес». Эксперты уверены, что прибор, скорее всего, использовался для понимания погодных явлений и образования облаков.
Хотя эолипил Герона основывался на фундаментальной науке, лежащей в основе паровой энергии, он был довольно далек от двигателей, о которых европейцы мечтали в 17 веке. В качестве двигателя эолипил производил крайне незначительный крутящий момент, и метод его работы был неэффективным.
«Отсутствие надлежащей материальной базы надолго задержало использование пара для выполнения тяжелой работы, и никто не мог построить котел, способный выдерживать большое давление, примерно до середины 1700-х годов», – пишет Грегори Янг, который во время своего пребывания в должности инструктора и техника в Smith College помогал с созданием действующего эолипила.
Изобретение, опередившее свое время, не вписалось в римское общество. Имея в изобилии рабскую силу, император не видел необходимости в разработке машин, способных заменить бесплатно эксплуатируемых людей.
То же самое относилось к остальной Европе на протяжении веков, пока промышленная революция не вытолкнула мировой спрос за пределы средств производства. Только тогда пригодились паровые машины, способные компенсировать слабину.
Это только начало
Джеймс Уатт в молодости со своим ранним паровым двигателем.
Полторы тысячи лет эолипил вместе с остальными уникальными творениями Герона оставался забытым. В Европе шли темные века.
Позже, в эпоху Возрождения, когда католическая церковь ослабила жесткую хватку на горле науки, «magnum opus» Герона вернулись к жизни. Сообщается, что в 1543 году Бласко де Гарай, ученый и капитан испанского флота, представил императору Священной Римской Империи устройство, которое, как он утверждал, могло двигать корабли в отсутствие ветра.
Предполагается, что изобретение де Гарая, состоящее из медного котла, приводившего в движение вращающиеся колеса с обеих сторон корабля, было эолипилом. Его предлагалось сочетать с размещением гребных колес на бортах лодки – практика, используемая с римского периода.
Знание испанца о давно забытом «героновом шаре» в то время было бы удивительным, но не невозможным. Несколько лет спустя в мире, начиная с Италии, появилось множество переводов «Pneumatica», в том числе Болонское издание 1547 года.
Хронология развития паровых двигателей
Постепенно «Пневматика» расходилась по Европе. Саломон де Косс, французский гугенот и инженер, которому тоже приписывали изобретение паровой машины, в свое время прочитал трактат Герона в Италии.
Ознакомился с ним и немецкий теолог Мальтезий, упомянувший эолипил в одной из своих проповедей в 1571 году. К 1640-м годам научный труд пережил пять переизданий в одной только Англии. Вторая половина 16 века ознаменовалась повторным открытием энергии пара, и инженеры по всей Европе занялись активным поиском ее применения в механике.
Благодаря популяризации работ Герона эолипилы стали довольно распространенными, и люди использовали их для плавления стекла и металла, разжигания очагов в домах и улучшения тяги дымоходов.
Затем, в 1689 году, английский изобретатель Томас Севери разработал первый в мире современный паровой двигатель в виде насоса для удаления воды из шахт. Его устройство, использующее два паровых котла, обеспечивало почти непрерывную откачку.
Однако успех длился недолго – вскоре было обнаружено, что система Севери работает только на мелководье. В 1711 году другой британец, Томас Ньюкомен, усовершенствовал конструкцию, добавив отдельный цилиндр с поршнем. Его система устранила необходимость в накопленном давлении пара.
Паровой двигатель Ньюкомена оставался бессменным в течение следующих 50 лет и использовался для осушения водно-болотных угодий и подачи воды в города, а также для питания энергией фабрик и заводов.
Несмотря на свое превосходство, двигатель Ньюкомена не был лишен недостатков – в частности, того, что он потребляет огромное количество пара. Недочет был исправлен в 1769 году шотландским экспериментатором Джеймсом Уаттом, который предложил свой способ поддерживать постоянную температуру в паровом цилиндре. Улучшение Ватта привело к быстрому распространению паровой энергии в Великобритании и США, положив начало промышленной революции.
Помимо прочего, некоторые версии его двигателя использовались в ранних автомобилях и поездах. К 1800-м годам пар питал большинство мельниц, дробилок, пивоварен, заводов и фабрик. Эта технология заложила основу того техномира, который мы видим сегодня.
Эолипил как по внешнему виду, так и по функциям, конечно, сильно отличался от паровых машин будущего. Вместо применения в повседневной жизни Герон использовал силу пара для мистификации и просвещения. Он не знал, что идеи, заложенные в его изобретениях, однажды изменят мир.
Краткая история развития паровых двигателей в истории мира
62 год нашей эры: Герон экспериментирует с паровой силой и создает эолипил.
Это первый в мире известный паровой двигатель. Правда его истинное назначение до сих пор неизвестно.
1679 год: паровой котел Дени Папина
Французский изобретатель Дени Папен строит первый в мире паровой котел. Он добавляет в устройство клапан, чтобы оно не взорвалось. Так на свет появилась концепция поршневого цилиндра с использованием пара.
1689 год: Паровой насос Томаса Севери
Английский изобретатель Томас Савери в 1689 году запатентовал машину, которая могла эффективно извлекать воду из затопленных шахт с помощью давления пара.
1711 год: паровая машина Томаса Ньюкомена
UNIVERSAL HISTORY ARCHIVE
Томас Савери и Томас Ньюкомен объединяют усилия для создания двигателя, перекачивающего пар.
1765 год: паровая машина Джеймса Уатта
Инженер из Шотландии, Джеймс Уатт, в 1765 году усовершенствовал конструкцию паровой машины Томаса Ньюкомена, добавив в конструкцию отдельный цилиндр для холодной воды, чтобы машина не тратила энергию на нагрев и охлаждение поршневого цилиндра.
1769 год: паровая тележка Николы Жозефа Кюньо
Паровая тележка Кюньо, первое транспортное средство в мире, передвигающееся с использованием энергии пара, построено во Франции. Для увеличения мощности этого транспортного средства, было необходимо останавливать тележку каждые 15 минут.
1804 год: первый рельсовое транспортное средство, которое создал Ричард Тревитик
Изобретатель из Британии, Ричард Тревитик, разработал компактный паровой двигатель (а значит более легкий) для первого в мире рельсового дорожного экипажа.
1807 год: первый в мире пароход «Клермонт», который создал Роберт Фултон
На изображении: первая в мире паровая лодка, созданная американским изобретателем Робертом Фултоном, отправляется в свое первое плавание по реке Гудзон. Корабль успешно справлялся с водными течениями благодаря паровой машине.
1819 год: гибридный корабль «Саванна»
Этот корабль становится первым пароходом, пересекшим Атлантику, используя сочетание мощности пара и парусов.
1829 год: паровой локомотив Rocket братьев Джорджа и Роберта Стефенсонов
В 1819 году эта паровая машина установил рекорд скорости в 47 км / ч (29 миль в час) на испытаниях, проходивших недалеко от Ливерпуля.
1867 год: паровой котел «Бэбкок энд Уилкокс»
Джордж Бэбкок и Стивен Уилкокс изобрели водотрубный паровой котел.
1884-1897 года: паротурбинные генераторы Чарлза Парсонса
Чарльз Алджернон Парсонс разрабатывает паротурбинный генератор, способный производить большое количество электроэнергии. Генератор используется для питания больших кораблей, включая «Титаник».
1911 год: геотермальный двигатель-генератор Джинори Конти
Ученые из Лардарелло, Италия, во главе с Пьеро Джинори Конти, открыли «геотермальную» энергию или так называемый «сухой пар» и построили первую геотермальную электростанцию.
1954 год: Обнинская АЭС
