Паровой двигатель создали три века назад — он изменил мир сильнее, чем смартфоны и интернет
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.
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».
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.
Значение первой паровой машины
Парова́я маши́на — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию 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 преобразовывает энергию пара в механическую работу.
Значение паровых машин
Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Поздние паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами и электромоторами, КПД которых выше.
Паровые турбины, формально являющиеся разновидностью паровых машин, до сих пор широко используются в качестве приводов генераторов электроэнергии. Примерно 86% электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с использованием паровых турбин.
Принцип действия
Изобретение и развитие
Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским философом, астрономом и инженером XVI века Таги-аль-Диноме. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 г. итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.
Однако дальнейшее развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики двигателей могли бы воспользоваться их результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения. Только в конце 17-го столетия паровые двигатели были созданы как единичные курьёзы. Первая машина была создана испанским изобретателем Йеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т. Севери (см. ниже). Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 г. англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 г. он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в 19-ом столетии). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной. Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-ых в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 г. создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала, как демонстрационная модель, но для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла, проложив таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. Однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил. Папен также проектировал лодку, приводимую в движение колесом с реактивной силой в комбинации концепций Таги-аль-Дина и Севери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.
Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Севери в 1698 году. На своё устройство Севери в 1698 году получил патент. Это был поршневой паровой насос, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы двигателя иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его «другом рудокопа».
Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Именно двигатель Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение, с которым принято связывать начало промышленной революции в Англии. Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах. Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления (американец Оливер Эванс и англичанин Ричард Тревитик). Р.Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм, или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования. Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7—8 миль в час. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком.
Двигатели с возвратно-поступательным движением используют энергию пара для перемещения поршня в герметичной камере или цилиндре. Возвратно-поступательное действие поршня может быть механически преобразовано в линейное движение поршневых насосов или во вращательное движение для привода вращающихся частей станков или колёс транспортных средств.
Вакуумные машины
Ранние паровые машины назывались вначале «огневыми машинами», а также «атмосферными» или «конденсирующими» двигателями Уатта. Они работали на вакуумном принципе и поэтому известны также как «вакуумные двигатели». Такие машины работали для привода поршневых насосов, во всяком случае, нет никаких свидетельств о том, что они использовались в иных целях. При работе паровой машины вакуумного типа в начале такта пар низкого давления впускается в рабочую камеру или цилиндр. Впускной клапан после этого закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. В двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр, и конденсат сбегает в сборник конденсата. Таким образом создаётся вакуум в цилиндре. Атмосферное давление в верхней части цилиндра давит на поршень, и вызывает его перемещение вниз, то есть рабочий ход.
Поршень связан цепью с концом большого коромысла, вращающегося вокруг своей середины. Насос под нагрузкой связан цепью с противоположным концом коромысла, которое под действием насоса возвращает поршень к верхней части цилиндра силой гравитации. Так происходит обратный ход. Давление пара низкое и не может противодействовать движению поршня.
Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. В 1774 году появилась версия паровой машины, созданная Уаттом в сотрудничестве с Мэттью Боултоном, основным нововведением которой стало вынесение процесса конденсации в специальную отдельную камеру (конденсатор). Эта камера помещалась в ванну с холодной водой, и соединялась с цилиндром трубкой, перекрывающейся клапаном. К конденсационной камере была присоединена специальная небольшая вакуумная помп (прообраз конденсатного насоса), приводимая в движение коромыслом и служащая для удаления конденсата из конденсатора. Образовавшаяся горячая вода подавалась специальным насосом (прообразом питательного насоса) обратно в котёл. Ещё одним радикальным нововведением стало закрытие верхнего конца рабочего цилиндра, в верхней части которого теперь находился пар низкого давления. Этот же пар присутствовал в двойной рубашке цилиндра, поддерживая его постоянную температуру. Во время движения поршня вверх этот пар по специальным трубкам передавался в нижнюю часть цилиндра, для того, чтобы подвергнуться конденсации во время следующего такта. Машина, по сути, перестала быть «атмосферной», и её мощность теперь зависела от разницы давлений между паром низкого давления и тем вакуумом, который удавалось получить.
В паровой машине Ньюкомена смазка поршня осуществлялась небольшим количеством налитой на него сверху воды, в машине Уатта это стало невозможным, поскольку в верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку смесью тавота и нефти. Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.
Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничение их эффективности, были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII века. Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора. Максимальный теоретический КПД был ограничен относительно малой разницей температур по обе стороны поршня; это делало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими.
Приблизительно в 1811 году Ричарду Тревитнику потребовалось усовершенствовать машину Уатта, для того чтобы приспособить её к новым котлам Корниша. Давление пара над поршнем достигло 275 кПа (2,8 атмосферы), и именно оно давало основную мощность для совершения рабочего хода; кроме того, был существенно усовершенствован конденсатор. Такие машины получили название машин Корниша, и строились вплоть до 1890-х годов. Множество старых машин Уатта было реконструировано до этого уровня. Некоторые машины Корниша имели весьма большой размер.
Паровые машины высокого давления
В паровых машинах пар поступает из котла в рабочую камеру цилиндра, где расширяется, оказывая давление на поршень и совершая полезную работу. После этого расширенный пар может выпускаться в атмосферу или поступать в конденсатор. Важное отличие машин высокого давления от вакуумных состоит в том, что давление отработанного пара превышает атмосферное или равно ему, то есть вакуум не создаётся. Отработанный пар обычно имел давление выше атмосферного и часто выбрасывался в дымовую трубу, что позволяло увеличить тягу котла.
Важность увеличения давления пара состоит в том, что при этом он приобретает более высокую температуру. Таким образом, паровая машина высокого давления работает при большей разнице температур чем та, которую можно достичь в вакуумных машинах. После того, как машины высокого давления заменили вакуумные, они стали основой для дальнейшего развития и совершенствования всех возвратно-поступательных паровых машин. Однако то давление, которое считалось в 1800 году высоким (275—345 кПа), сейчас рассматривается как очень низкое — давление в современных паровых котлах в десятки раз выше.
Дополнительное преимущество машин высокого давления состоит в том, что они намного меньше при заданном уровне мощности, и соответственно, существенно менее дорогие. Кроме того, такая паровая машина может быть достаточно лёгкой и компактной, чтобы использоваться на транспортных средствах. Возникший в результате паровой транспорт (паровозы, пароходы) революционизировал коммерческие и пассажирские перевозки, военную стратегию, и вообще затронул практически каждый аспект общественной жизни.
Паровые машины двойного действия
Следующим важным шагом в развитии паровых машин высокого давления стало появление машин двойного действия. В машинах одиночного действия поршень перемещался в одну сторону силой расширяющегося пара, но обратно он возвращался или под действием гравитации, или за счёт момента инерции вращающегося маховика, соединённого с паровой машиной.
В паровых машинах двойного действия свежий пар поочередно подается в обе стороны рабочего цилиндра, в то время как отработанный пар с другой стороны цилиндра выходит в атмосферу или в конденсатор. Это потребовало создания достаточно сложного механизма парораспределения. Принцип двойного действия повышает скорость работы машины и улучшает плавность хода.
Поршень такой паровой машины соединён со скользящим штоком, выходящим из цилиндра. К этому штоку крепится качающийся шатун, приводящий в движение кривошип маховика. Система парораспределения приводится в действие другим кривошипным механизмом. Механизм парораспределения может иметь функцию реверса для того, чтобы можно было менять направление вращения маховика машины.
Паровая машина двойного действия примерно вдвое мощнее обычной паровой машины, и кроме того, может работать с намного более легким маховиком. Это уменьшает вес и стоимость машин.
Большинство возвратно-поступательных паровых машин использует именно этот принцип работы, что хорошо видно на примере паровозов. Когда такая машина имеет два или более цилиндров, кривошипы устанавливаются со сдвигом в 90 градусов для того, чтобы гарантировать возможность запуска машины при любом положении поршней в цилиндрах. Некоторые колёсные пароходы имели одноцилиндровую паровую машину двойного действия, и на них приходилось следить, чтобы колесо не останавливалось в мёртвой точке, то есть в таком положении, при котором запуск машины невозможен.