Паровой двигатель когда изобрели

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.

Паровой двигатель когда изобрели

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.

История изобретения паровых машин. Создание паровой машины

Возможности в использовании энергии пара были известны в начале нашей эры. Это подтверждает прибор под названием Героновский эолипил, созданный древнегреческим механиком Героном Александрийским. Древнее изобретение можно отнести к паровой турбине, шар которой вращался благодаря силе струй водяного пара.

Приспособить пар для работы двигателей стало возможным в XVII веке. Пользовались подобным изобретением недолго, однако оно внесло существенный вклад в развитие человечества. К тому же история изобретения паровых машин очень увлекательна.

Энергия старого мира

Эта статья является продолжением публикации «Взгляд в прошлое. Технология 18 века».

В ней мы построили реально работающий паровой двигатель, который должен стать главной частью будущего парового мотоцикла, и даже провели пробные эксперименты по его запуску на воздухе.

Теперь нужно решить энергетический вопрос. И тут начинаются основные отличия от двигателей внутреннего сгорания (ДВС). В таких двигателях бензин, смешиваясь с воздухом, попадает в цилиндр двигателя и при воспламенении этой воздушно-топливной смеси выделяется энергия. Расширившиеся продукты горения давят на поршень, производя работу. Но вот у паровых машин, энергия рождается не в двигателе. Она рождается в котле. Котёл производит пар, который в свою очередь и будет давить на поршень нашего двигателя. Эту древнюю энергию нам и требуется обуздать!

Устройство

Паровой котёл — котёл, предназначенный для генерации насыщенного или перегретого пара. Может использовать энергию топлива, сжигаемого в своей топке, электрическую энергию или утилизировать теплоту, выделяющуюся в других установках. (Википедия)

Существует два основных типа котлов: классический и прямоточный. Первый тип чаще всего использовался для работы паровых машин. Его можно описать как железный резервуар, в который врезана топка. Топливо горит в топке, обогревая воду в резервуаре. Вода в нём начинает кипеть и создаётся пар под давлением. Такой тип использовался на паровозах и всех первых паровых машинах:

У классических котлов есть как преимущества, так и недостатки. Преимущества заключаются в том, что для создания давления пара не требуется каких — либо насосов, так как накопленная энергия воды может ещё долго снабжать двигатель паром даже при отсутствии огня. Такие котлы не очень требовательны к качеству воды. Паровозы заправляли самой обычной водой из речек, родников, колодцев и прочее.

Прямоточный котёл можно представить как длинную, компактно свёрнутую трубку, обтекаемую пламенем, в которую насосом закачивают воду. Такой тип котла обладает целым рядом преимуществ:

1. Позволяет создавать пар большего давления при меньшей массе и небольшом объёме котла.
2. Из-за того, что в трубке не так много носителя, такой котёл считается более безопасным (не запасается большое количество энергии).
3. Быстрый выход на режим, так как не нужно прогревать большое количество воды.

Когда автомобиль будет иметь паровой двигатель?

Так сложилось, что даже люди с техническим образованием мало что знают об этом устройстве. Сегодня мы и восполним этот пробел, вспомним, как устроен паровой двигатель, его принцип действия. Его преимущества, недостатки и применении в современных условиях. И немного о истории изобретения.

Паровая машина кардинально изменила картину мира, произвела революцию в промышленности, на транспорте, дала импульс для новых открытий. Она служила универсальным двигателем на протяжении XIX века, и даже с появлением механизмов, требующих высоких скоростей, не канула в лету. Вместо тихоходной паровой машины ученые разработали быстроходную турбину с одним из самых высоких к.п.д.

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.

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.

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.

История изобретения парового двигателя

Упоминание о первых паровых машинах датировано первым столетием нашей эры. Устройство, описано Героном Александрийским ‒ пар выходил из сопл, закреплённых на шаре, и приводил в движение двигатель.

Правда, настоящая паровая турбина появилась в Египте в 16 веке. Ее изобрел араб Таги-аль-Диноме.

Подобную машину построил 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка. То есть, как только в обществе наступило экономическое благополучие и возникла необходимость в данном механизме, его тот час же изобрели.

В конце 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.

Паровой котёл создал француз Дени Папен. Он же изобрёл и предохранительный клапан для стравливания избыточного давления. Дело в том, что высокое давление, создаваемое паром, приводило к частым взрывам.

Кстати, в то же время появилось и расхожее выражение: «выпустить пар», которое означало ‒ успокоить нервы, пошумев на окружающих, без сноса собственного котелка и без жертв среди мирного населения.

Но на этом история паровых двигателей не прервалась. Англичанин Томас Ньюкомен в 1712 году сделал шахтный насос для подачи воды на верх. Двигатель Ньюкомена стал пользоваться спросом, с его массового выпуска началась английская промышленная революция.

В России первую паровую машину в 1763 году спроектировал И.И.Ползунов. С ее помощью приводились в действие воздуходувные меха на заводах.

А француз Николас-Йозеф Куньо шесть лет спустя сконструировал первую паровую телегу. Она приводила в движение сельскохозяйственные механизмы.

А в 1788 году Джон Фитч построил пароход, который вмещал 30 человек, и шел со скоростью до 12 километров в час.

В 1804 году на металлургическом заводе в Южном Уэльсе был испытан первый железнодорожный паровой поезд, его построил Ричард Тревитик.

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.

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.

Принцип действия

Для привода паровой машины необходим паровой котёл . Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины , движение которых передаётся другим механическим частям. Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива — от кизяка до урана.

Разработки

До XVII века создание паровой машины было невозможно. Но как только планка уровня развития человечества взлетела, тут же появились и первые экземпляры и изобретения. Хотя серьезно их никто на тот момент не воспринял. Так, например, в 1663 году английский ученый опубликовал в прессе проект своего изобретения, которое он установил в замке Реглан. Его устройство служило для того, чтобы поднимать воду на стены башен. Однако, как и все новое и неизведанное, данный проект был принят с сомнением, и спонсоров для его дальнейших разработок не нашлось.

Как устроен паровой двигатель. Принцип действия

Для работы паровой машины потребуется паровой котёл. Поступающий из него пар, расширяется и воздействует на поршень или же на лопатки паротурбины, затем их движение передаётся на другие механические части устройства.

Как устроен паровой двигатель показано на иллюстрации

Движение поршня через шток, ползун, шатун и кривошип передаётся на главный вал, который несет маховик, необходимый для снижения неравномерности вращения.

Эксцентрик, находящийся на главном валу, через эксцентриковую тягу воздействует на золотник, который управляет впуском пара в цилиндре. Пар из цилиндра выбрасывается в атмосферу или направляется в конденсатор.

Чтобы поддерживать постоянное число оборотов вала, при изменении нагрузки, на паровых машинах устанавливают центробежный регулятор, он автоматически изменяет сечение прохода пара, направляемого в паровую машину (при дроссельном регулировании) или момент отсечки наполнения (при количественном регулировании).

Поршень создает в цилиндре парового двигателя одну (две) полости переменного объёма, в них и происходят процессы сжатия и расширения.

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.

ФАКТЫ И СОБЫТИЯ

• Первым паровым двигателем, использовавшимся в промышленности, был «Друг горняка». Он был запатентован в 1698 году Томасом Сэвери, горным инженером из Корнуолла.
• Когда Джеймс Уатт строил модель своего первого двигателя, он очень торопился. Не найдя необходимой детали, он взял у жены наперсток, чтобы закрыть им конец трубы.
• До своей встречи с Болтоном Уатт настолько потерял веру в успех, что отказался от идеи создания паровой машины и четыре года работал на строительстве каналов в Шотландии.
• Заслуги Уатта не ограничиваются тем, что он усовершенствовал паровую машину. Он изобрел способ копирования документов, основанный на химических процессах, который широко использовался на протяжении последующих ста пет.
• В 1784 году Уатт провел в свою контору трубы из котельной и пустил по ним горячий пар. Таким образом пар был впервые использован для центрального отопления.
• В 1789 году Уатт изобрел регулятор- устройство, позволяющее контролировать скорость работы паровой машины. Это позволило поддерживать постоянную скорость, не зависящую от температуры котла, и облегчило работу.
• В XIX веке в честь Джеймса Уатта была названа единица мощности — ватт.

Неудавшаяся попытка Папена

Пароатмосферная машина, далекая в то время от совершенства, привлекла особое внимание в судостроительной области. Д. Папен 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.

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.

Преимущества и недостатки

Основное преимущество паровой машины, как двигателя внешнего сгорания, отделение котла от самой машины. Это дает возможность использовать что угодно в качестве топлива хоть хворост, хоть урановое топливо, что выгодно отличает ее от двигателя внутреннего сгорания ‒ там для каждого типа требуется определённый вид горючего.

Заметнее всего это преимущество в случае с ядерным реактором, который не может производить механическую энергию, а вырабатывает лишь тепло, которое используют для получения пара, вращающего паровые турбины.

В двигателях внешнего сгорания можно использовать и другие источники тепла, например, энергию солнца или энергию разности температур океана на разной глубине.

Интересный факт, паровой локомотив хорошо работает на больших высотах, при чем эффективность двигателя не падает, а, наоборот, растет благодаря низкому атмосферному давлению.

Паровозы и сегодня используют в горной местности Латинской Америки и Китая, при том, что в равнинных районах они давно заменены на более современные типы локомотивов.

Даже в Швейцарии и в Австрии в ходу усовершенствованные тепловозы, работающие на сухом паре. Их разработали на основе модели SLM производства 1930 года. В конструкцию внесли ряд изменений: использовали роликовые подшипники, современную теплоизоляцию, новые виды топлива, специальные паропроводы и ряд других новшеств.

Благодаря этому потребление топлива уменьшилось на 60 процентов, а вес стал ниже, чем у дизельных и электрических аналогов, что актуально для железных дорог, проходящих в горной местности.

Среди других положительных качеств парового двигателя:

• высокая надёжность;
• возможность эксплуатации при значительных колебаниях нагрузки;
• допустимость продолжительных перегрузок;
• долговечность;
• низкие расходы на эксплуатацию;
• простота в обслуживании.

К недостаткам можно отнести:

• наличие кривошипно-шатунного механизма;
• низкий КПД по сравнению с другими типами двигателей.

Период изобретательства

Паровая машина Ньюкомена существовала уже несколько десятилетий. Чаще всего ее применяли для откачки воды. Никто до этого даже не пытался ее усовершенствовать. С 1759 года идеей применения пара заинтересовался Уатт, но его попытки были неудачными.

В 1763 году к мастеру обратился представитель университета в Глазго с просьбой помочь в ремонте действующего макета творения Ньюкомена. Уатт смог провести с ней ряд экспериментов. Он смог починить макет и убедиться в неэффективности этой машины. Уатт внес в конструкцию определенные усовершенствования, однако этого было недостаточно.

Спустя два года Джеймс Уатт догадался, как можно создать совершенную паровую машину. Он начал внедрять в жизнь задуманное. В 1769 году он оформил патент на изолированную камеру для конденсации. Он смог построить действующую модель, которая работала по этому принципу. Для создания полноразмерной машины у него не было средств. В этом помогли Джозеф Блэк, Джон Робак. Проблемы не закончились, поскольку невозможно было добиться необходимой точности в производстве цилиндра и поршня. К тому же Робак стал банкротом.

Уатт нашел нового спонсора. Им стал Мэттью Болтон, который владел литейным заводом. Проблему в создании цилиндра решил Джон Уилкинсон. Коммерческий успех от своего изобретения Уатт получил благодаря созданию совместной компании с Мэттью Болтоном, которая действовала двадцать пять лет и принесла изобретателю большое состояние.

Уатт стремился не просто усовершенствовать машину Ньюкомена, он хотел создать модель с универсальным двигателем. Все его попытки привели к новому методу в работе паровой машины, который он запатентовал под названием планетное движение. Именно на этом методе стала работать первая паровая машина Джеймса Уатта.

После успеха новой машины начались множественные попытки ее подделать. В борьбе за репутацию собственного дела Уатт и Болтон вынуждены были тратить немалые денежные средства на судебные тяжбы. В результате они смогли отстоять свои права.

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.

Ошибка

У парохода Папена был следующий принцип работы. На дно цилиндра необходимо было залить небольшое количество воды. Под самим цилиндром располагалась жаровня, которая служила для нагревания жидкости. Когда вода начинала кипеть, образующийся пар, расширяясь, поднимал поршень. Из пространства над поршнем через специально оборудованный клапан выталкивался воздух. После того как вода закипала и начинал валить пар, необходимо было убрать жаровню, закрыть клапан, чтобы удалить воздух, и при помощи прохладной воды охладить стенки цилиндра. Благодаря таким действиям пар, находившийся в цилиндре, конденсировался, под поршнем образовывалось разрежение, и благодаря силе атмосферного давления поршень вновь возвращался на свое первоначальное место. Во время его движения вниз и совершалась полезная работа. Однако КПД паровой машины Папена был отрицательным. Двигатель парохода был крайне неэкономичен. А главное, он был слишком сложным и неудобным в эксплуатации. Поэтому изобретение Папена не имело будущего уже с самого начала.

Применение в настоящее время

Сегодня паровые машины нашли широкое применение в виде паровых турбин, которые работают как приводы электрогенераторов.

Паровая турбина состоит из вращающихся дисков, которые закреплены на одной оси. Этот узел называется ротором. Также есть статор ‒ его неподвижные диски чередуются с дисками ротора. На дисках ротора размещены лопатки, при попадании на них пара, механизм приходит в движение.

Аналогичные лопатки, только расположенные под противоположным углом, есть и на дисках статора. Они служат для перенаправления струи пара на следующий диск ротора.

Турбина преобразует энергию пара во вращательное движение без каких-либо дополнительных механизмов. То есть преобразование возвратно-поступательного хода во вращательное движение делать не нужно.

Также у турбин меньшие размеры нежели у возвратно-поступательных машин, и они отличаются постоянным усилием на выходном валу. Ещё один плюс ‒ простая конструкция, а значит придётся меньше тратить средств на эксплуатацию.

Сфера использования паровых турбин ‒ производство электроэнергии. Более 85 процентов электрической энергии вырабатывают именно паровые турбины. Также их используют как судовые двигатели, в частности на подводных лодках и атомоходах.

Теперь вы знаете, как устроен паровой двигатель, что паровая машина, изобретённая ещё в первом столетии нашей эры, вовсе не анахронизм, а современное высокотехнологичное устройство, благодаря которому жизнь многих людей стала комфортнее.

Перспективы применения паровых машин на автомобилях имеют пока туманные очертания, но творческая мысль изобретателя не имеет границ и я с полной уверенностью могу предположить, что скоро появятся двигатели с элементами парового носителя

Подписывайтесь на наш блог, чтобы узнать много нового и интересного. Поделитесь этой информацией с друзьями в социальных сетях ‒ пусть они повысят свой технический уровень, ну и вам будет приятно иметь умных друзей.

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.

Последователи

Однако история создания паровой машины на этом не закончилась. Следующим, уже гораздо более удачливым, чем Папен, оказался английский ученый Томас Ньюкомен. Он долго изучал работы своих предшественников, делая упор на слабые места. И взяв самое лучшее из их работ, создал в 1712 году свой аппарат. Новая паровая машина (фото представлено) была сконструирована следующим образом: использовались цилиндр, находившийся в вертикальном положении, а также поршень. Это Ньюкомен взял из работ Папена. Однако пар образовывался уже в другом котле. Вокруг поршня закреплялась цельная кожа, что значительно повышало герметичность внутри парового цилиндра. Данная машина также была пароатмосферной (вода поднималась из шахты при помощи атмосферного давления). Главными минусами изобретения были его громоздкость и неэкономичность: машина «съедала» огромное количество угля. Однако пользы она приносила значительно больше, чем изобретение Папена. Поэтому ее почти пятьдесят лет применяли в подземельях и шахтах. Ее использовали для откачивания грунтовых вод, а также для осушки кораблей. Томас Ньюкомен пытался преобразовать свою машину так, чтобы была возможность применять ее для движения транспорта. Однако все его попытки не увенчались успехом.

Следующим ученым, заявившим о себе, стал Д. Хулл из Англии. В 1736 году он представил миру свое изобретение: пароатмосферную машину, у которой в качестве движителя были лопастные колеса. Его разработка оказал более удачной, чем у Папена. Сразу же было выпущено несколько таких суден. В основном они использовались для того, чтобы буксировать баржи, корабли и другие суда. Однако надежность пароатмосферной машины не вызывала доверия, и суда оборудовали парусами как основным движителем.

И хотя Хуллу повезло больше, чем Папену, его изобретения постепенно потеряли актуальность, и от них отказались. Все-таки у пароатмосферных машин того времени было множество специфических недостатков.

Признание заслуг

Еще при жизни изобретателя машина Джеймса Уатта произвела революцию в промышленности. Неудивительно, что его избирали представителем многих обществ. Его даже хотели наградить баронским титулом, но он от него отказался.

Общества, в которые был избран Уатт:

• Королевское общество в Эдинбурге.
• Философское общество в Роттердаме.
• Член-корреспондент Французской академии.
• Лунное общество в Бирмингеме – неофициальная организация для ученых британского Просвещения.

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.

Требования времени

Между тем жизнь на месте не стояла. И человечество постоянно задумывалось над тем, чтобы создать механизм, позволяющий не зависеть от капризной природы, а самим управлять судьбой. От паруса все хотели отказаться как можно быстрее. Поэтому вопрос о создании парового механизма постоянно висел в воздухе. В 1753 году в Париже был выдвинут конкурс среди мастеров, ученых и изобретателей. Академия наук объявила награду тому, кто сможет создать механизм, способный заменить силу ветра. Но несмотря на то что в конкурсе участвовали такие умы, как Л. Эйлер, Д. Бернулли, Кантон де Лакруа и другие, дельного предложения не вынес никто.

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.

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.

Первый пароход в мире

Английский судостроитель Роберт Фултон с юношеских лет мечтал о судне с паровым двигателем. И вот его мечта стала осуществима. Ведь изобретение паровых машин стало новым толчком в судостроительстве. Вместе с посланником из Америки Р. Ливингстоном, который взял на себя материальную сторону вопроса, Фултон занялся проектом корабля с паровой машиной. Это было сложное изобретение, основанное на идее весельного движителя. По бортам судна тянулись в ряд плицы, имитирующие множество весел. При этом плицы то и дело мешали друг другу и ломались. Сегодня можно с легкостью сказать, что тот же эффект мог быть достигнут всего при трех-четырех плицах. Но с позиции науки и техники того времени это увидеть было нереально. Поэтому судостроителям приходилось намного сложнее.

В 1803 году изобретение Фултона было представлено всему миру. Пароход медленно и ровно шел по Сене, поражая умы и воображение многих ученых и деятелей Парижа. Однако правительство Наполеона отвергло проект, и раздосадованные судостроители вынуждены были искать счастья в Америке.

И вот в августе 1807 года первый в мире пароход под названием «Клермонт», в котором была задействована мощнейшая паровая машина (фото представлено), пошел по Гудзонскому заливу. Многие тогда просто не верили в успех.

В свой первый рейс «Клермонт» отправился без грузов и без пассажиров. Никто не хотел отправляться в путешествие на борту огнедышащего судна. Но уже на обратном пути появился первый пассажир – местный фермер, заплативший шесть долларов за билет. Он стал первым пассажиром в истории пароходства. Фултон был так сильно растроган, что предоставил смельчаку пожизненный бесплатный проезд на всех своих изобретениях.

Недостатки

К недостаткам относится, прежде всего, низкий КПД. К этому стоит добавить громоздкость конструкции и тихоходность. Особенно это стало заметно после появления двигателя внутреннего сгорания.

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.

Применение

Кто изобрел паровую машину, уже известно. Осталось узнать, где их применяли. До середины ХХ века паровые машины применяли в промышленности. Также их использовали для железнодорожного и парового транспорта.

Заводы, которые эксплуатировали паровые двигатели:

• сахарные;
• спичечные;
• бумажные фабрики;
• текстильные;
• пищевые предприятия (в отдельных случаях).

Паровые турбины также относятся к данному оборудованию. С их помощью до сих пор работают генераторы электроэнергии. Около 80% мировой электроэнергии вырабатывается с применением паровых турбин.

В свое время были созданы различные виды транспорта, работающие на паровом двигателе. Некоторые не прижились из-за нерешенных проблем, а другие продолжают работать и в наши дни.

Транспорт с паровым двигателем:

• автомобиль;
• трактор;
• экскаватор;
• самолет;
• локомотив;
• судно;
• тягач.

Такова история изобретения паровых машин. Кратко можно рассмотреть удачный пример о гоночном автомобиле Серполле, созданном в 1902 году. На нем был установлен мировой рекорд по скорости, который составил 120 км в час на суше. Именно поэтому паровые авто были конкурентоспособными по отношению к электрическим и бензиновым аналогам.

Так, в США в 1900 году больше всего было выпущено паровых машин. Они встречались на дорогах до тридцатых годов ХХ века.

Большая часть подобного транспорта стала непопулярной после появления двигателя внутреннего сгорания, чей КПД значительно выше. Такие машины были более экономичными, при этом легкими и скоростными.

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.

Стимпанк как веяние эпохи паровых машин

Говоря о паровых машинах, хочется упомянуть о популярном направлении – стимпанке. Термин состоит из двух английских слов – «пар» и «протест». Стимпанк – это вид научной фантастики, которая повествует о второй половине XIX века в викторианской Англии. Данный период в истории часто упоминается как Эпоха пара.

Все произведения имеют одну отличительную особенность – они повествуют о жизни второй половины XIX века, стиль повествования при этом напоминает роман Герберта Уэллса «Машина времени». В сюжетах описываются городские пейзажи, общественные строения, техника. Особое место уделяется дирижаблям, старинным машинам, причудливым изобретениям. Все металлические детали крепились при помощи клепок, поскольку сварку еще не применяли.

Термин «стимпанк» возник в 1987 году. Его популярность связана с появлением романа «Разностная машина». Написан он был в 1990 году Уильямом Гибсоном и Брюсом Стерлингом.

В начале XXI века в этом направлении было выпущено несколько известных кинофильмов:

• «Машина времени»;
• «Лига выдающихся джентльменов»;
• «Ван Хельсинг».

К предтечам стимпанка можно отнести произведения Жюля Верна и Григория Адамова. Интерес к этому направлению время от времени проявляется во всех сферах жизни – от кинематографа до повседневной одежды.

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

ENEL GREEN POWER

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

Первая в мире атомная электростанция, в которой для производства пара используется вода, скипяченная в результате контролируемых цепных ядерных реакций. Она была построена в России во времена Советского Союза . Атомная станция предназначалась для питания электрической сети. Этот метод паровой энергии используется до сих пор.