Что такое паровой двигатель и его история изобретения

Что такое паровой двигатель и его история изобретения

II. Паровая машина Дени Папена

III. Томас Ньюкомен и его паровая машина

IV. Большая машина Джона Смита

V. Паровая машина Ползунова

VI. Джеймс Уатт. Универсальная паровая

машина двойного действи

Первым механическим двигателем, нашедшим практическое применение, была паровая машина. Вначале она предназначалась для использования в заводском производстве, но позднее паровой двигатель стали устанавливать на самодвижущихся машинах — паровозах, пароходах, автомобилях и тракторах.

Вплоть до второй половины XVIII века люди использовали для нужд производства в основном водяные двигатели. Так как передавать механическое движение от водяного колеса на большие расстояния невозможно, все фабрики приходилось строить на берегах рек, что не всегда было удобно. Кроме того, для эффективной работы такого двигателя часто требовались дорогостоящие подготовительные работы (устройство, прудов, строительство плотин и тому подобное). Были у водяных колес и другие недостатки: они имели малую мощность, работа их зависела от времени года и с трудом подавалась регулировке. Постепенно стала остро ощущаться нужда в принципиально новом двигателе: мощном, дешевом, автономном и легкоуправляемом. Именно таким двигателем на целое столетие стала для человека паровая машина.

Идея парового двигателя была отчасти подсказана его изобретателям конструкцией поршневого водяного насоса, который был известен еще во времена античности. Принцип его работы был очень прост: при подъеме поршня вверх вода засасывалась в цилиндр через клапан в его дне. Боковой клапан, соединявший цилиндр с водоподъемной трубой, в это время был закрыт, так как вода из трубы также стремилась войти внутрь цилиндра и тем самым закрывала этот клапан. При опускании поршня он начинал давить на воду в цилиндре, благодаря чему закрывался нижний клапан и открывался боковой. В это время вода из цилиндра подавалась вверх по водоподъемной трубе. В поршневом насосе работа, получаемая извне, расходовалась на продвижение жидкости через цилиндр насоса.

Лишь на рубеже 17 — 18 веков удалось найти способ производить полезную работу с помощью пара. Пар приводил в действие насос, качавший воду в резервуар. Вытекая из резервуара и падая на водяное колесо, вода заставляла его вращаться. Водяное колесо, в свою очередь, приводило в движение заводские механизмы и машины. Таким образом, и после изобретения парового насоса непосредственным двигателем рабочих машин оставалось водяное колесо. Прошло еще немало времени, прежде чем пытливый человеческий ум создал надежный двигатель, способный непосредственно приводить в действие разнообразные машины и механизмы. Прошло более чем два столетия, прежде чем появился двигатель, ставший одной из предпосылок появления нового вида боевых машин — танков.

I.Паровая машина Сэйвери.

Первая попытка поставить пар на службу человеку была предпринята в Англии в 1698 году: машина Сэйвери предназначалась для осушения шахт и перекачивания воды. Сам изобретатель назвал ее «огневой машиной» и широко разрекламировал как «друга шахтеров». Для получения пара, приводившего машину в действие, требовался огонь, но изобретение Сэйвери еще не было двигателем в полном смысле этого слова, поскольку кроме нескольких клапанов, открывавшихся и закрывавшихся вручную, в нем не имелось подвижных частей.

Машина Сэйвери работала следующим образом: сначала герметичный резервуар наполнялся паром, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, отчего пар конденсировался, и в резервуаре создавался частичный вакуум. После этого вода — например со дна шахты — засасывалась в резервуар через заборную трубу и после впуска очередной порции пара выбрасывалась наружу через выпускную. Затем цикл повторялся, но воду можно было поднимать только с глубины менее 10,36 м, поскольку в действительности ее выталкивало атмосферное давление.

II. Паровая машина Дэни Папена.

Первая удачная паровая машина с поршнем была построена французом Дени Папеном, чье имя чаще ассоциируется с изобретением автоклава, который имеется сегодня практически в каждом доме в виде кастрюли-скороварки.

В 1674 году Папен построил пороховой двигатель, принцип действия которого основывался на воспламенении в цилиндре пороха и перемещении поршня внутри цилиндра под воздействием пороховых газов. Когда избыток газов выходил из цилиндра через специальный клапан, а оставшийся газ охлаждался, в цилиндре создавался частичный вакуум, и поршень возвращался в исходное положение под действием атмосферного давления.

Машина была не очень удачной, но она навела Папена на мысль заменить порох водой. И в 1698 году он построил паровую машину (в том же году свою «огненную машину» построил и англичанин Сэйвери). Вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем внутри, и образовавшийся пар толкал поршень вверх. Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень опускался вниз под действием атмосферного давления. Таким образом, посредством системы блоков паровая машина Папена могла приводить в действие различные механизмы, например насосы.

III. Томас Ньюкомен и его паровая машина.

Услышав о паровой машине Папена, Томас Ньюкомен, который часто бывал на шахтах в Вест Кантри, где он работал кузнецом, и лучше чем кто-нибудь другой понимал, как нужны хорошие насосы для предотвращения затопления шахт, объединил усилия с водопроводчиком и стекольщиком Джоном Калли в попытке построить более совершенную модель.

Их первая паровая машина была установлена на угольной шахте в Стаффордшире в 1712 году. Как и в машине Папена, поршень перемещался в вертикальном цилиндре, но в целом машина Ньюкомена была значительно более совершенной. Чтобы ликвидировать зазор между цилиндром и поршнем, Ньюкомен закрепил на торце последнего гибкий кожаный диск и налил на него немного воды. Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. Но при впрыскивании в цилиндр холодной воды, пар конденсировался, в цилиндре образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом, двигавшимся наподобие качелей, поднимал вверх шток насоса. Когда поршень находился в нижней точке своего хода, в цилиндр снова поступал пар, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса или на коромысле, поршень поднимался в исходное положение. После этого цикл повторялся.

Машина Ньюкомена оказалась на редкость удачной и использовалась по всей Европе более 50 лет. В 1740 году машина с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняла работу, которую бригады из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, раньше выполняли за неделю.

Первая паровая машина была изобретена Д. Уаттом

Изобретение паровой машины стало поворотным моментом промышленной и всеобщей истории человечества. На рубеже XVII-XVIII веков появились предпосылки к замене маломощных и неэффективных живых «двигателей», ветряных мельниц и во­дяных колес на механизмы совершенно нового типа — паровые машины. Именно паровые двигатели сделали возможным свер­шение промышленной революции и достижение современного уровня развития техники.

Считается, что первую паровую машину изобрел шотландский механик Джеймс Уатт — ведь не зря же его именем названа между­народная единица мощности Ватт! Однако в действительности Уатт сделал массу усовершенствований и предложил новый тип двига­теля, а история паровых машин берет свое начало гораздо раньше.

Использование пара для приведения в действие механизма впервые описано древнегреческим ученым Героном Александ­рийским, работавшим примерно в I веке н. э. Именно Героном был изобретен знаменитый Эолипил (или «шар Эола») — за­крепленная на оси сфера с выходящими из нее форсунками. Шар, наполненный водой, нагревался на огне, а выходящий из форсунок пар приводил сферу во вращение.

Конечно, все это не более чем игрушка, но и она была за­быта более чем на полтора тысячелетия. Впервые после Герона силу пара попытался использовать арабский инженер и философ Таги-аль-Диноме — в XVI веке им был создан прообраз паровой турбины, вращавший вертел. Почти через век — в 1615 году — француз Соломон де Ко описывает устройство, которое с по­мощью пара может поднимать воду. А в 1629 году итальянец Джованни Бранка также создает машину, напоминающую тур­бину, — нагретый пар выходил из трубки и ударял в лопатки на колесе, тем самым заставляя это колесо вращаться.

Примерно в это же время испанский инженер Йеронимо Аянс де Бомонт создал паровую машину с цилиндром — этот механизм оказал некоторое влияние на развитие событий в области усовершен­ствования паровых машин. А в 1663 году англичанин Эдвард Сомерсет описывает паровую машину для подъема воды из колодцев и шахт, а впоследствии получает и патент на это изобретение. Созданная Со­мерсетом машина проработала некоторое время в одном из англий­ских замков, но показала далеко не самые лучшие результаты.

Огромную роль в развитии паровых машин сыграли два че­ловека: француз Дени Папен и англичанин Томас Сэйвери. Па-пен в середине 70-х годов XVII века изобрел цилиндр, в котором с помощью взрыва пороха создается вакуум, а потом (в 1680 году) приспособил этот цилиндр для работы от пара. Французский ученый к концу века приблизился к созданию промышленного образца паровой машины, но его опередил Сэйвери — в 1698 году англичанин получил патент на машину, а в 1702 году механизм его конструкции начали использовать для подъема и откачивания воды. Однако эти паровые машины получили весьма ограничен­ное распространение — уж слишком несовершенны они были.

Но если устройства Папена и Сэйвери мало применялись на практике, то почему эти люди сыграли важную роль в истории техники? Все дело в том, что идеи этих инженеров-изобретателей легли в основу паровой машины, созданной в 1712 году англича­нином Томасом Ньюкоменом. Изобретатель объединил машину конструкции Сэйвери с цилиндром системы Папена, в результате чего появился достаточно совершенный двигатель, работавший на пару. Интересная деталь: управление машиной осуществля­лось вручную — для этих целей нанимали специального челове­ка, в задачи которого входило с определенной периодичностью открывать и закрывать клапаны. Как гласит легенда, в 1713 году мальчик Хэмфри Поттер, работавший у одной из машин, приду­мал, как заставить клапаны работать самостоятельно. И только в 1715 году на паровых машинах системы Ньюкомена появилась полностью автоматическая система парораспределения.

Здесь необходимо сделать два важных замечания. Во-первых, все описанные выше паровые машины являются вакуумными (или атмосферными). В машинах этого типа пар использовал­ся только для нагрева цилиндра, в котором двигался поршень. Принцип прост: пар поступает в цилиндр, нагревая его до вы­сокой температуры, после чего на цилиндр выливается холод­ная вода. Вследствие этого происходит резкое охлаждение, а в цилиндре образуется разрежение (вакуум), благодаря чему под действием атмосферного давления поршень входит вглубь цилиндра, совершая при этом работу. Во-вторых, все эти маши­ны применялись только для подъема и перемещения воды — изобретателям и в голову не приходило, что с помощью пара можно приводить в движение различные механизмы. Так что даже машину Ньюкомена нередко называют паровым насосом.

Более полувека паровые машины Ньюкомена оставались единственными механизмами, пригодными для промьшшенного исполь­зования. Лишь в начале 1760-х годов в этой области случились под­вижки — Хэмфри Гэйнсборо создал усовершенствованную паровую машину, которая, однако, не получила заметного распространения. А совершить настоящую революцию в этой области было суждено шотландскому инженеру и изобретателю Джеймсу Уатту.

В 1765 году Уатт выдвинул идею о том, что не надо охлаждать цилиндр, а лучше использовать именно силу давления пара, а не вакуум. Уже в 1769 году он получил патент на это изобретение, однако сама машина новой конструкции была создана только в 1776 году — у Уатта в то время было туго с деньгами и ему просто-напросто не на что было реализовывать свои идеи.

Но самое главное изобретение Джеймса Уатта, сделавшее его зна­менитым, появилось только в 1781 году: именно тогда инженер соз­дал паровую машину, способную выполнять любую работу. Это стало возможным благодаря преобразованию возвратно-поступательного движения поршня во вращение маховика с помощью так называ­емого планетарного механизма. А в 1784 году паровая машина Уатта приобрела окончательный вид — в ней появились более удобный и простой кривошипно-шатунный механизм и множество мелких усовершенствований. Именно эта разработка и стала называться универсальной паровой машиной, и не зря: машина вскоре появи­лась на фабриках и заводах, а в начале ХIХ века двигатели системы Уатта были поставлены на первые паровоз и пароход.

Интересно, что действующая паровая машина (и даже не одна) была создана и в России — это всем известные машины Ивана Ползунова, построенные в период с 1763 по 1766 год. Первые двигатели Ползунова показывали хорошие результаты, и в 1764 году было на­чато строительство большой паровой машины для металлолитейного завода. Строительство закончилось в 1766 году, а пуск произведен уже после смерти изобретателя. К сожалению, паровая машина Пол­зунова проработала всего 42 дня — после поломки она перестала использоваться, а через какое-то время была демонтирована.

Как видно, история паровых машин не начинается с откры­тия Джеймса Уатта, однако именно этот изобретатель создал по-настоящему эффективную и удобную машину, оказавшую огромное влияние на развитие промышленности и техники. За эти заслуги в 1882 году именем Уатта стала называться еди­ница мощности, известная нам как ватт.

Великое изобретение Томаса Савери — 2021

Настя и сборник весёлых историй

• Ранние изобретения Савери
• Первый паровой двигатель
• Дорога к патенту
• Представляя свое изобретение миру
• Реализация Steam Engine
• Улучшения в Steam Engine

Томас Савери родился в известной семье в Шилстоне, Англия, где-то в 1650 году. Он был хорошо образован и очень любил механику, математику, эксперименты и изобретения.

Ранние изобретения Савери

Одним из самых ранних изобретений Сэйвери были часы, которые до сих пор хранятся в его семье и считаются гениальным механизмом. Он продолжил изобретать и запатентовал расположение лопастных колес, приводимых в движение кабестанами, чтобы двигать суда в спокойную погоду. Он предложил эту идею британскому адмиралтейству и волнистому совету, но безуспешно. Основным возражающим был инспектор военно-морского флота, который уволил Савери с замечанием: «И есть ли взаимосвязанные люди, которые нас не беспокоят, притворяются, что изобретают или изобретают для нас вещи?»

Спасение не было остановлено — он приспособил свой аппарат к небольшому судну и продемонстрировал его работу на Темзе, хотя военно-морской флот никогда не вводил изобретение.

Первый паровой двигатель

Сэйвери изобрел паровой двигатель спустя некоторое время после дебюта своих гребных колес, идея, впервые возникшая у Эдварда Сомерсета, маркиза Вустера, а также нескольких других более ранних изобретателей. Ходили слухи, что Савери сначала прочитал книгу Сомерсета, описывающую изобретение, а затем попытался уничтожить все свидетельства этого в ожидании своего собственного изобретения. Он якобы скупил все копии, которые мог найти, и сжег их.

Хотя эта история не особенно заслуживает доверия, сравнение рисунков двух двигателей — Slavery и Somerset — показывает поразительное сходство. Если уж на то пошло, Савери следует отдать должное за успешное внедрение этого «полугомогенного» и «командного» двигателя. Он запатентовал конструкцию своего первого двигателя 2 июля 1698 года. Рабочая модель была представлена ​​Лондонскому королевскому обществу.

Дорога к патенту

Савери столкнулся с постоянными и смущающими затратами на постройку своего первого парового двигателя. Он должен был держать британские шахты — и особенно глубокие ямы Корнуолла — свободными от воды. В конце концов он завершил проект и провел несколько успешных экспериментов с ним, демонстрируя модель своей «пожарной машины» перед королем Вильгельмом III и его двором в Хэмптон-корт в 1698 году. Сэйвери затем получил свой патент без задержки.

Название патента гласит:

«Предоставление Томасу Сэйвери единоличного воплощения им изобретенного им нового изобретения для поднятия воды и приведения в движение всех видов мельничных работ важной силой огня, которая будет очень полезна для осушения шахт, обслуживать города водой и работать на всех видах мельниц, когда они не имеют ни пользы от воды, ни постоянных ветров; удерживать 14 лет; с обычными оговорками «.

Представляя свое изобретение миру

Затем Сэйвери рассказал миру о своем изобретении. Он начал систематическую и успешную рекламную кампанию, не упуская возможности сделать свои планы не просто известными, но и понятными. Он получил разрешение появиться со своей моделью пожарной машины и объяснить ее работу на заседании Королевского общества. Протокол этой встречи гласил:

«Мистер Савери развлекал Общество тем, что показал свой двигатель для поднятия воды силой огня. Его поблагодарили за показ эксперимента, который удался в соответствии с ожиданиями и был одобрен».

В надежде представить свою пожарную машину в шахтерских районах Корнуолла в качестве насосного двигателя, Савери написал проспект для общей циркуляции » Друг шахтера; или «Описание двигателя для поднятия воды огнем». ”

Реализация Steam Engine

Проспект Савери был напечатан в Лондоне в 1702 году. Он приступил к распространению его среди владельцев и управляющих шахтами, которые в то время обнаружили, что поток воды на определенных глубинах был настолько велик, что мешал работе. Во многих случаях стоимость дренажа не оставляла удовлетворительного запаса прибыли. К сожалению, хотя пожарная машина Savery стала использоваться для подачи воды в города, крупные поместья, загородные дома и другие частные учреждения, она не стала широко использоваться среди шахт. Риск взрыва котлов или ресиверов был слишком велик.

Были другие трудности в применении двигателя Savery для многих видов работ, но это было самым серьезным. На самом деле взрывы происходили со смертельным исходом.

При использовании в шахтах двигатели обязательно должны располагаться в пределах 30 футов или меньше от самого низкого уровня и потенциально могут оказаться погруженными, если вода поднимется выше этого уровня. Во многих случаях это приведет к потере двигателя. Шахта останется «потопленной», если не будет закуплен другой двигатель для ее откачки.

Расход топлива с этими двигателями также был очень велик. Пар не мог генерироваться экономически, потому что используемые котлы были простыми формами и имели слишком малую поверхность нагрева, чтобы обеспечить полную передачу тепла от газов сгорания к воде внутри котла. За этими отходами при производстве пара последовали еще более серьезные отходы при его применении. Без расширения до вытеснения воды из металлического ресивера холодная и влажная стороны поглощали тепло с наибольшей жадностью. Огромная масса жидкости не нагревалась паром и удалялась при температуре, при которой она поднималась снизу.

Улучшения в Steam Engine

Позже Савери начал работать с Томасом Ньюкоменом над атмосферным паровым двигателем. Ньюкомен был английским кузнецом, который изобрел это улучшение по сравнению с предыдущим дизайном Рабства.

Паровой двигатель Newcomen использовал силу атмосферного давления. Его двигатель качал пар в цилиндр. Затем пар конденсируется холодной водой, которая создает вакуум внутри цилиндра. Результирующее атмосферное давление воздействовало на поршень, создавая нисходящие удары. В отличие от двигателя, запатентованного Томасом Савери в 1698 году, интенсивность давления в двигателе Ньюкомена не ограничивалась давлением пара. Вместе с Джоном Колли Ньюкомен построил свой первый двигатель в 1712 году на заполненном водой шахте и использовал его для откачки воды из шахты. Двигатель Newcomen был предшественником двигателя Watt, и он был одним из самых интересных образцов технологии, разработанной в 1700-х годах.

Джеймс Уотт был изобретателем и инженером-механиком, родившимся в Гриноке, Шотландия, известном своими усовершенствованиями парового двигателя. Во время работы в университете Глазго в 1765 году Уатту было поручено отремонтировать двигатель Ньюкомена, который считался неэффективным, но все же лучшим паровым двигателем своего времени. Он начал работать над несколькими улучшениями дизайна Newcomen. Наиболее примечательным был его патент 1769 года на отдельный конденсатор, соединенный с цилиндром клапаном. В отличие от двигателя Newcomen, в конструкции Уотта был конденсатор, который можно было сохранять холодным, пока цилиндр горячий. Двигатель Ватта вскоре стал доминирующим дизайном для всех современных паровых двигателей и помог осуществить промышленную революцию. Единица силы, названная ваттом, была названа в его честь.

Великое пермско-триасовое вымирание

Наибольшее массовое вымирание за последние 500 миллионов лет или фанерозойский эон произошло 250 миллионов лет назад, завершив пермский период и начав триасовый период.

Великое Канто Землетрясение в Японии, 1923

В 1923 году самое смертоносное землетрясение в Японии обрушилось на Токио и близлежащие города, разрушив весь регион. Узнайте больше об этой трагедии здесь.

Великое восстание Пуэбло — Сопротивление испанского колониализма

В эпоху восстания Пуэбло 1680-1696 гг. Народ Пуэбло сбросил своих испанских колониальных правителей и начал восстанавливать и возрождать.

История изобретения паровых машин

История изобретения паровых машин гласит о том, что впервые они были построены Т. Севери, Д. Папеном, Т. Ньюкоменом, И. Ползуновым. У их машин были разные конструкции, но они имели нечто общее – движение поршня осуществлялось посредством попеременного нагрева и охлаждения действующего цилиндра. Такая технология не способствовала быстрой работе машин, а потребление топлива превышало разумные пределы. Но давайте начнем с начала и расскажем все по порядку.

Люди использовали на производстве водяные двигатели до второй половины XVIII века. Но поскольку в то время не было возможности передать силу механических движений водяных колес на значительные расстояния, фабрики, нуждающиеся в этом, строились на берегах водоемов. Это не всегда было удобно, и к тому же эффективность работы таких двигателей обеспечивалась недешевыми подготовительными процессами. Также их мощность была низкой, а работа осуществлялась в зависимости от времени года и была труднорегулируемой. Тогда остро возникла потребность в совершенно новом устройстве, обладающем мощностью, недорогом в эксплуатации, легкоуправляемом и автономном. Изобретение парового двигателя в одночасье решило все эти вопросы.

История изобретения паровых машин уходит корнями далеко в прошлое. Еще во времена античности был сконструирован поршневой водяной насос, технология которого вошла в основу идеи парового двигателя. В XVII — XVIII веках человечество нашло способ производства механической энергии с помощью пара, придумав паровой насос, подающий воду в специальный резервуар, из которого она попадала на колесо, приводя его в движение. Оно заставляло работать производственные машины и механизмы. Вот и получается, что в качестве двигателя все же выступало водяное колесо. Много еще времени понадобилось для создания надежного парового двигателя – более двух столетий.

В 1698 году военный инженер Томас Сэйвери придумал технологию на основе пара для перекачивания воды и осушения шахт, но история изобретения паровых машин на этом не закончилась. Дени Папену в 1674 году впервые удалось построить удачную паровую машину. Вначале он попробовал применить пороховой двигатель, но этот эксперимент не имел большого успеха. Тогда к нему пришла идея заменить порох водой. Его паровая машина вышла в свет в 1698 году (тогда же, когда и изобретение Сэйвери). Принцип работы заключался в нагревании воды до образования пара внутри вертикально закрепленного цилиндра, в котором двигался поршень, который выталкивался вверх. Затем пар охлаждался и конденсировался, а поршень под влиянием атмосферного давления опускался вниз. Такая технология приводила в движение разные механизмы.

Ознакомившись с конструкцией Папена, работавший кузнецом в шахтах Вест Кантри и понимавший важность изобретения хороших насосов для шахт Томас Ньюкомен объединил свои силы с Джоном Калли, стекольщиком и водопроводчиком, и вместе они принялись за усовершенствование модели. Первую их машину установили в Стаффордшире на шахте по добыче угля в 1712 году. Эта технология оказалась столь удачной, что применялась на территории всей Европы больше 50 лет.

В 1775 году история изобретения паровых машин пополнилась новым открытием – Джон Смитон создал новую усовершенствованную модель, которая осушила Кронштадтский док всего за две недели. До этого требовался год на выполнение такой работы.

И. И. Ползунов, изобретатель-механик из России, весной 1763 года разработал проект паровой машины, которая впервые могла приводить в действие любые механизмы и вскоре получила признание.

Следует сказать, что есть еще один изобретатель паровой машины – Джеймс Уатт. Он совершенствовал машину Ньюкомена с 1763 года и, наконец, запатентовал свое детище в 1768 году. Несмотря на это, он долгое время не мог построить машину по своему проекту, но в 1776 году она была готова и успешно прошла испытание. Ее эффективность вдвое превышала возможности устройства Ньюкомена. Первая универсальная паровая машина двойного действия была создана Джеймсом Уаттом в 1782 году. Поскольку двигатель Уатта мог применяться на любой машине, создатели самодвижущих механизмов без промедления воспользовались этой идеей.

История паровых машин запечатлена в музее Пауэрхауз в Сиднее, где стоит одно из первых изобретений Уатта.