Історія парової машини - Промисловість, виробництво
1. Створення двигуна
2. Газові теплові двигуни
Першим механічним двигуном, який знайшов практичне застосування, була парова машина. Спочатку вона призначалася для використання в заводському виробництві, але пізніше паровий двигун стали встановлювати на машинах, що саморухаються - паровозах, пароплавах, автомобілях і тракторах.
Над використанням пари в якості робочого тіла люди замислювалися ще в давнину, проте лише на рубежі 17 - 18 століть вдалося знайти спосіб робити корисну роботу за допомогою пари. Пара приводила в дію насос, що гойдав воду в резервуар. Випливаючи з резервуара і падаючи на водяне колесо, вода змушувала його обертатися. Водяне колесо, у свою чергу, приводило в рух заводські механізми та машини. Таким чином, після винаходу парового насоса безпосереднім двигуном робочих машин залишалося водяне колесо. Пройшло ще чимало часу, перш ніж допитливий людський розум створив надійний двигун, здатний безпосередньо приводити в дію різноманітні машини та механізми. Пройшло більш як два століття, перш ніж з'явився двигун, який став однією з передумов появи нового виду бойових машин – танків.
1. Створення двигуна
Машина Сейвері працювала наступним чином: спочатку герметичний резервуар наповнювався парою, потім зовнішня поверхня резервуара охолоджувалася холодною водою, через що пара конденсувалася, і в резервуарі створювався частковий вакуум. Після цього вода - наприклад з дна шахти - засмоктувала в резервуар через паркан і після впуску чергової порції пара викидалася назовні через випускну. Потім цикл повторювався, але воду можна було піднімати лише з глибини менше 10,36 м, оскільки насправді її виштовхувалоатмосферний тиск.
Перша вдала парова машина з поршнем була побудована французом Дені Папеном, ім'я якого частіше асоціюється з винаходом автоклава, який є сьогодні практично в кожному будинку у вигляді каструлі-скороварки.
В 1674 Папен побудував пороховий двигун, принцип дії якого грунтувався на займанні в циліндрі пороху і переміщенні поршня всередині циліндра під впливом порохових газів. Коли надлишок газів виходив з циліндра через спеціальний клапан, а газ, що залишився, охолоджувався, в циліндрі створювався частковий вакуум, і поршень повертався у вихідне положення під дією атмосферного тиску.
Машина була не дуже вдалою, але вона навела Папена на думку замінити порох водою. І в 1698 він побудував парову машину (в тому ж році свою "вогненную машину" побудував і англієць Сейвері). Вода нагрівалася всередині вертикального циліндра з поршнем всередині, і пара, що утворилася, штовхала поршень вгору. Коли пара охолоджувалась і конденсувалася, поршень опускався вниз під впливом атмосферного тиску. Таким чином, за допомогою системи блоків парова машина Папена могла приводити в дію різні механізми, наприклад, насоси.
Почувши про парову машину Папена, Томас Ньюкомен, який часто бував на шахтах у Вест Кантрі, де він працював ковалем, і краще, ніж хтось інший розумів, як потрібні хороші насоси для запобігання затопленню шахт, об'єднав зусилля з водопровідником і скляром Джоном Каллі в спробі побудувати досконалішу модель. Їхня перша парова машина була встановлена на вугільній шахті в Стаффордширі в 1712 році. Як і в машині Папена, поршень переміщався у вертикальному циліндрі, але загалом машина Ньюкомена була значно досконалішою. Щоб ліквідувати зазор між циліндром тапоршнем, Ньюкомен закріпив на торці останнього гнучкий шкіряний диск і налив трохи води.
Пара з котла надходила в основу циліндра і піднімала поршень вгору. Але при впорскуванні в циліндр холодної води пар конденсувався, в циліндрі утворювався вакуум, і під впливом атмосферного тиску поршень опускався вниз. Цей зворотний хід видаляв воду з циліндра і за допомогою ланцюга, з'єднаного з коромислом, що рухався як гойдалка, піднімав вгору шток насоса. Коли поршень перебував у нижній точці свого ходу, в циліндр знову надходила пара, і за допомогою противаги, закріпленої на штоку насоса або на коромислі, поршень піднімався у вихідне положення. Після цього цикл повторювався.
Машина Ньюкомена виявилася надзвичайно вдалою і використовувалася по всій Європі понад 50 років. У 1740 році машина з циліндром довжиною 2,74 м і діаметром 76 см за один день виконувала роботу, яку бригади з 25 осіб та 10 коней, працюючи позмінно, раніше виконували за тиждень. 1775 року ще велика машина, побудована Джоном Смітоном (творцем Еддістоунського маяка), за два тижні осушила сухий док у Кронштадті (Україна). Раніше з використанням високих вітряків на це витрачався цілий рік.
Проте машина Ньюкомена була далека до досконалості. Вона перетворювала на механічну енергію лише близько 1 % теплової енергії і, як наслідок, пожирала величезну кількість палива, що, втім, не мало особливого значення, коли машина працювала на вугільних шахтах.
У цілому нині машини Ньюкомена зіграли величезну роль збереженні вугільної промисловості: з допомогою вдалося відновити видобуток вугілля у багатьох затоплених шахтах.
Повзунов пропонував збудувати спочатку невелику машину, на якій можна було б виявити та усунути всі недоліки,неминучі у новому винаході. Заводське начальство з цим не погодилося і вирішило будувати одразу величезну машину для потужного повітродувки. Будівництво машини доручили Ползунову, на допомогу якому були виділені "не знаючі, але тільки одну схильність до того двоє, що мають з тутешніх майстрових" та ще кілька підсобних робітників.
З цим "штатом" Повзунов приступив до будівництва своєї машини. Будувалася вона рік та дев'ять місяців. Коли машина вже пройшла перше випробування, винахідник захворів на швидкоплинні сухоти і за кілька днів до завершальних випробувань помер.
Усього за три місяці роботи машина Ползунова не тільки виправдала всі витрати на її будівництво в сумі 7233 рублів 55 копійок, але й дала чистий прибуток 12640 рублів 28 копійок.
Протягом наступних тридцяти років машина не діяла, а в 1779 році тодішні управителі алтайських заводів віддали розпорядження машину розібрати, "фабрику, що перебуває при ній, розламати і ліс вжити на що придатний буде".
Приблизно в цей час в Англії над створенням парової машини працював шотландець Джеймс Уатт.
Починаючи з 1763 року він займався удосконаленням малоефективної пароатмосферної машини Ньюкомена, яка, загалом, годилася лише для перекачування води. Йому було ясно, що основний недолік машини Ньюкомена полягав у поперемінному нагріванні та охолодженні циліндра. Яким чином уникнути цього? Відповідь прийшла до Уатта недільного весняного дня 1765 року. Він зрозумів, що циліндр може постійно залишатися гарячим, якщо до конденсації відводити пару окремий резервуар через трубопровід з клапаном. Більш того, циліндр може залишатися гарячим, а конденсор холодним, якщо зовні покрити теплоізоляційним матеріалом. Крім того, Уатт зробив ще кілька удосконалень, остаточнощо перетворили пароатмосферну машину на парову. В 1768 він подав прохання про патент на свій винахід. Патент він отримав, але збудувати парову машину йому довго не вдавалося. І тільки в 1776 році парова машина Уатта була, нарешті, побудована та успішно пройшла випробування. Вона виявилася вдвічі ефективнішою за машину Ньюкомена.
У 1782 році Уатт створив нову чудову машину – першу універсальну парову машину подвійної дії. Кришку циліндра він оснастив винайденим незадовго до того сальником, який забезпечував вільний рух штока поршня, але запобігав витоку пари з циліндра. Пара надходила в циліндр поперемінно то з одного боку поршня, то з іншого. Тому поршень робив і робочий і зворотний хід за допомогою пари, чого не було в колишніх машинах.
Оскільки в паровій машині подвійної дії шток поршня здійснював тягнучу і штовхаючу дію, колишню приводну систему з ланцюгів та коромисла, яка реагувала тільки на тягу, довелося переробити. Уатт розробив систему зв'язаних тяг та застосував планетарний механізм для перетворення зворотно-поступального руху штока поршня у обертальний рух, використовував важкий маховик, відцентровий регулятор швидкості, дисковий клапан та манометр для вимірювання тиску пари.
Запатентована Уаттом "ротативна парова машина" спочатку широко застосовувалася для приведення в дію машин та верстатів прядильних та ткацьких фабрик, а згодом та інших промислових підприємств. Таким чином, парова машина Уатта стала винаходом століття, який започаткував промислову революцію.(рис див. в Додатку).
В 1785 одна з перших машин Уатта була встановлена в Лондоні на пивоварному заводі Семюела Вітбреда для розмелювання солоду. Машина виконувала роботу замість 24 коней. Діаметр її циліндрадорівнював 63 см, робочий хід поршня становив 1,83 м, а діаметр маховика досягав 4,27 м. Машина збереглася до наших днів, і сьогодні її можна побачити в дії в музеї Сіднея "Пауерхауз".
Двигун Уатта годився для будь-якої машини, і цим негайно скористалися винахідники механізмів, що саморухаються.