[1] Первым зарегистрированным элементарным паровым двигателем был эолипил, упомянутый Витрувием между 30 и 15 гг. до н. э. и описанный Героном Александрийским в Римском Египте I века . [2] Несколько паровых устройств были позже опробованы или предложены, такие как паровой домкрат Таки ад-Дина , паровая турбина в Османском Египте XVI века , рабочая модель парового варочного котла Дени Папена в 1679 году и паровой насос Томаса Савери в Англии XVII века. В 1712 году атмосферный двигатель Томаса Ньюкомена стал первым коммерчески успешным двигателем, использующим принцип поршня и цилиндра, который был основным типом парового двигателя, использовавшимся до начала XX века. Паровой двигатель использовался для откачки воды из угольных шахт.
Во время промышленной революции паровые двигатели начали заменять энергию воды и ветра и в конечном итоге стали доминирующим источником энергии в конце 19 века и оставались таковыми в первые десятилетия 20 века, когда более эффективная паровая турбина и двигатель внутреннего сгорания привели к быстрой замене паровых двигателей. Паровая турбина стала наиболее распространенным методом, с помощью которого приводятся в действие электрогенераторы. [3] Проводятся исследования практических возможностей возрождения поршневого парового двигателя в качестве основы для новой волны передовой паровой технологии .
Первым, кто использовал пар как способ преобразования тепла в движение, был Архит , который перемещал деревянную птицу по проводам, используя пар в качестве топлива около 400 г. до н. э. [4] [5] [6] [7] Самый ранний известный элементарный паровой двигатель и реактивная паровая турбина , эолипил , описаны математиком и инженером по имени Герон из Александрии в Римском Египте I века , как записано в его рукописи Spiritalia seu Pneumatica . [8] [9]
Это же устройство упоминал Витрувий в «Об архитектуре» примерно 100 лет назад. Пар, выбрасываемый по касательной из сопел, заставлял вращаться поворотный шар. Это говорит о том, что преобразование давления пара в механическое движение было известно в Римском Египте в I веке, однако его тепловая эффективность была низкой. Герон также изобрел машину, которая использовала воздух, нагретый в алтарном огне, для вытеснения некоторого количества воды из закрытого сосуда. Вес воды был использован для того, чтобы тянуть скрытую веревку, чтобы управлять дверями храма. [9] [10] Некоторые историки объединили два изобретения, чтобы ошибочно утверждать, что эолипил был способен совершать полезную работу. [ необходима цитата ]
По словам Уильяма Малмсберийского , в 1125 году в Реймсе находилась церковь, в которой имелся орган, приводимый в действие воздухом, выходящим из-под сжатия «нагретой водой», очевидно, спроектированный и построенный профессором Гербертусом. [9] [11]
Среди документов Леонардо да Винчи, датируемых концом XV века, есть проект паровой пушки под названием Architonnerre , которая работает за счет внезапного притока горячей воды в герметичную, раскаленную докрасна пушку. [12]
Простейшая ударная паровая турбина была описана в 1551 году Таки ад-Дином , философом , астрономом и инженером в Османском Египте XVI века , который описал метод вращения вертела с помощью струи пара, играющей на вращающихся лопастях по периферии колеса. Аналогичное устройство для вращения вертела было также позже описано Джоном Уилкинсом в 1648 году. [13] Эти устройства тогда назывались «мельницами», но теперь известны как паровые домкраты . Другая похожая простейшая паровая турбина показана Джованни Бранка , итальянским инженером, в 1629 году для вращения цилиндрического спускового устройства, которое попеременно поднимало и опускало пару пестов, работающих в ступках. [14] Однако поток пара этих ранних паровых турбин не был сконцентрирован, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях. Это привело бы к большой потере энергии, и поэтому они никогда серьезно не рассматривались для промышленного использования.
В 1605 году французский математик Давид Риво де Флеранс в своем трактате об артиллерии писал о своем открытии, что вода, заключенная в снаряд бомбы и нагретая, может взорвать снаряды. [15]
В 1606 году испанец Херонимо де Аянс-и-Бомонт продемонстрировал и получил патент на паровой водяной насос. Насос успешно использовался для осушения затопленных шахт Гуадалканала, Испания . [16]
В 1679 году французский физик Дени Папен изобрел паровой котел (скороварку), который использовался для извлечения жиров из костей в среде высокого давления, а затем для получения костной муки .
«Открытия, которые, будучи объединены Томасом Ньюкоменом в 1712 году, привели к созданию паровой машины, были следующими:» [17]
В конце XV века итальянский полимат, инженер, художник и архитектор Леонардо да Винчи написал статьи, в которых описывал Architonnerre , паровую пушку , которая использовала среду высокого давления для запуска больших и тяжелых снарядов с невероятной силой. Конструкция да Винчи напоминала оригинальную пушку с длинной цилиндрической трубой на одном конце, используемой для правильного наведения снаряда, а на другом конце была большая камера, которая использовалась для нагрева воды до пара, и когда она была готова к выстрелу, небольшой колпачок плотно надевался на отверстие в верхней части пушки, вызывая быстрое накопление пара и создавая среду очень высокого давления и толкая снаряд с огромной силой к цели. Architonnerre была разработана для стрельбы снарядом, который весил один римский талант. Многие из принципов, использованных да Винчи для Architonnerre, были позже использованы при разработке парового двигателя.
В 1643 году Эванджелиста Торричелли провел эксперименты с насосами для всасывания воды, чтобы проверить их пределы, которые составляли около 32 футов. (Атмосферное давление составляет 32,9 фута или 10,03 метра. Давление паров воды снижает теоретическую высоту подъема.) Он придумал эксперимент, используя трубку, заполненную ртутью и перевернутую в чаше с ртутью (барометре ) , и наблюдал пустое пространство над столбом ртути, которое, как он предполагал, ничего не содержало, то есть вакуум. [18]
Под влиянием Торричелли Отто фон Герике изобрел вакуумный насос, модифицировав воздушный насос, используемый для нагнетания давления в пневматическом оружии . Герике устроил демонстрацию в 1654 году в Магдебурге, Германия, где он был мэром. Два медных полушария были соединены вместе, и из них был откачан воздух. Грузы, привязанные к полушариям, не могли разъединить их, пока не был открыт воздушный клапан. Эксперимент был повторен в 1656 году с использованием двух упряжек по 8 лошадей в каждой, которые не смогли разделить магдебургские полушария . [18]
Гаспар Шотт был первым, кто описал эксперимент с полусферой в своей работе «Mechanica Hydraulico-Pneumatica» (1657). [18]
Прочитав книгу Шотта, Роберт Бойль построил усовершенствованный вакуумный насос и провел соответствующие эксперименты. [18]
Дени Папен заинтересовался использованием вакуума для получения движущей силы, работая с Христианом Гюйгенсом и Готфридом Лейбницем в Париже в 1663 году. Папен работал на Роберта Бойля с 1676 по 1679 год, опубликовав отчет о своей работе в Continuation of New Experiments (1680) и сделав доклад Королевскому обществу в 1689 году. С 1690 года Папен начал экспериментировать с поршнем для получения энергии с помощью пара, строя модели паровых двигателей. Он экспериментировал с атмосферными и напорными паровыми двигателями, опубликовав свои результаты в 1707 году. [18]
В 1663 году Эдвард Сомерсет, 2-й маркиз Вустер, опубликовал книгу из 100 изобретений, в которой описывался метод подъема воды между этажами, использующий принцип, аналогичный принципу работы кофеварки . Его система была первой, в которой котел (нагретый ствол пушки) был отделен от действия насоса. Вода поступала в укрепленную бочку из цистерны, а затем открывался клапан, чтобы впустить пар из отдельного котла. Давление нарастало над водой, поднимая ее по трубе. [19] Он установил свое паровое устройство на стене Большой башни в замке Раглан, чтобы подавать воду через башню. Канавки в стене, где был установлен двигатель, все еще можно было увидеть в 19 веке. Однако никто не был готов рисковать деньгами ради такой революционной концепции, и без спонсоров машина осталась неразвитой. [18] [20]
Сэмюэл Морланд , математик и изобретатель, работавший над насосами, оставил заметки в Vauxhall Ordinance Office о конструкции парового насоса, которые прочитал Томас Сейвери . В 1698 году Сейвери построил паровой насос под названием «Друг шахтера». Он использовал как вакуум, так и давление. Они использовались для маломощных машин в течение ряда лет. [18]
Томас Ньюкомен был торговцем, который торговал чугунными товарами. Двигатель Ньюкомена был основан на конструкции поршня и цилиндра, предложенной Папеном. В двигателе Ньюкомена пар конденсировался водой, распыляемой внутри цилиндра, заставляя атмосферное давление перемещать поршень. Первый двигатель Ньюкомена был установлен для откачки в шахте в 1712 году в замке Дадли в Стаффордшире. [18]
Дени Папен (22 августа 1647 г. – ок. 1712 г. ) был французским физиком, математиком и изобретателем, наиболее известным своим пионерским изобретением парового котла , предшественника скороварки. В середине 1670-х годов Папен сотрудничал с голландским физиком Христианом Гюйгенсом над двигателем, который вытеснял воздух из цилиндра, взрывая порох внутри него. Осознав неполноту вакуума, создаваемого таким способом, и переехав в Англию в 1680 году, Папен разработал версию того же цилиндра, которая получала более полный вакуум путем кипячения воды, а затем позволяя пару конденсироваться; таким образом он мог поднимать грузы, прикрепляя конец поршня к веревке, проходящей через блок. В качестве демонстрационной модели система работала, но для того, чтобы повторить процесс, весь аппарат нужно было разобрать и собрать заново. Папен быстро понял, что для создания автоматического цикла пар должен быть выработан отдельно в котле; однако он не продвинул проект дальше. Папен также спроектировал гребную лодку, приводимую в движение струей, играющей на мельничном колесе, в сочетании с концепциями Таки аль Дина и Савери, и ему также приписывают ряд важных устройств, таких как предохранительный клапан . Годы исследований Папена в области проблем использования пара сыграли ключевую роль в разработке первых успешных промышленных двигателей, которые вскоре последовали за его смертью.
Первым паровым двигателем, который был применен в промышленности, был «пожарный двигатель» или «друг шахтера», разработанный Томасом Савери в 1698 году. Это был беспоршневой паровой насос, похожий на тот, что разработал Вустер. Савери внес два ключевых вклада, которые значительно улучшили практичность конструкции. Во-первых, для того, чтобы обеспечить подачу воды ниже двигателя, он использовал конденсированный пар для создания частичного вакуума в насосном резервуаре (бочке в примере Вустера) и, используя его, для подъема воды наверх. Во-вторых, для того, чтобы быстро охладить пар для создания вакуума, он пропускал холодную воду через резервуар.
Работа требовала нескольких клапанов; в начале цикла, когда резервуар был пуст, открывался клапан для впуска пара. Этот клапан закрывался, чтобы запечатать резервуар, а клапан охлаждающей воды открывался, чтобы конденсировать пар и создать частичный вакуум. Затем открывался клапан подачи, втягивая воду вверх в резервуар; типичный двигатель мог втягивать воду на высоту до 20 футов. [21] Затем он закрывался, и паровой клапан снова открывался, создавая давление над водой и перекачивая ее вверх, как в конструкции Вустера. Этот цикл по сути удваивал расстояние, на которое вода могла быть перекачана для любого заданного давления пара, и производственные образцы поднимали воду примерно на 40 футов. [21]
Двигатель Савери решил проблему, которая только недавно стала серьезной: подъем воды из шахт на юге Англии по мере того, как они достигали больших глубин. Двигатель Савери был несколько менее эффективным, чем двигатель Ньюкомена, но это компенсировалось тем фактом, что отдельный насос, используемый двигателем Ньюкомена, был неэффективен, давая двум двигателям примерно одинаковую эффективность в 6 миллионов фут-фунтов на бушель угля (менее 1%). [22] Двигатель Савери также не был очень безопасным, поскольку часть его цикла требовала пара под давлением, подаваемого котлом, и, учитывая технологию того периода, сосуд под давлением не мог быть сделан достаточно прочным и поэтому был подвержен взрыву. [23] Взрыв одного из его насосов в Брод-Уотерсе (около Веднесбери ) около 1705 года, вероятно, знаменует собой конец попыток использовать его изобретение. [24]
Двигатель Савери был менее дорогим, чем двигатель Ньюкомена, и выпускался в меньших размерах. [25] Некоторые производители производили улучшенные версии двигателя Савери до конца XVIII века. [22] Бенту де Моура Португал , член Королевского общества , представил гениальное усовершенствование конструкции Савери, «чтобы сделать ее способной работать самостоятельно», как описано Джоном Смитоном в «Философских трудах», опубликованных в 1751 году. [26]
Можно сказать, что Томас Ньюкомен с его « атмосферным двигателем » 1712 года объединил большинство основных элементов, установленных Папеном, чтобы разработать первый практический паровой двигатель, на который мог быть коммерческий спрос. Он принял форму возвратно-поступательного двигателя с балкой, установленного на уровне поверхности, приводящего в действие ряд насосов на одном конце балки. Двигатель, прикрепленный цепями с другого конца балки, работал на атмосферном или вакуумном принципе. [28]
В конструкции Ньюкомена использовались некоторые элементы более ранних концепций. Как и в конструкции Савери, двигатель Ньюкомена использовал пар, охлаждаемый водой, для создания вакуума. Однако, в отличие от насоса Савери, Ньюкомен использовал вакуум, чтобы тянуть поршень, а не тянуть воду напрямую. Верхний конец цилиндра был открыт для атмосферного давления, и когда образовывался вакуум, атмосферное давление над поршнем толкало его вниз в цилиндр. Поршень смазывался и герметизировался струйкой воды из той же цистерны, которая подавала охлаждающую воду. Кроме того, для улучшения охлаждающего эффекта он распылял воду непосредственно в цилиндр.
Поршень был прикреплен цепью к большой поворотной балке. Когда поршень тянул балку, другая сторона балки тянулась вверх. Этот конец был прикреплен к стержню, который тянул за ряд обычных насосных ручек в шахте. В конце этого рабочего хода паровой клапан снова открывался, и вес насосных стержней тянул балку вниз, поднимая поршень и снова втягивая пар в цилиндр.
Использование поршня и балки позволило двигателю Ньюкомена приводить в действие насосы на разных уровнях по всей шахте, а также устранить необходимость в паре высокого давления. Вся система была изолирована в одном здании на поверхности. Хотя эти двигатели были неэффективны и чрезвычайно тяжелы для угля (по сравнению с более поздними двигателями), они поднимали гораздо большие объемы воды и с больших глубин, чем это было возможно ранее. [23] К 1735 году по всей Англии было установлено более 100 двигателей Ньюкомена, и, по оценкам, к 1800 году их работало около 2000 (включая версии Уатта).
Джон Смитон внес многочисленные усовершенствования в двигатель Ньюкомена, в частности, уплотнения, и, улучшив их, смог почти утроить их эффективность. Он также предпочел использовать колеса вместо балок для передачи мощности от цилиндра, что сделало его двигатели более компактными. Смитон был первым, кто разработал строгую теорию конструкции работы парового двигателя. Он работал в обратном направлении от предполагаемой роли, чтобы рассчитать количество мощности, которое потребуется для выполнения задачи, размер и скорость цилиндра, который будет ее обеспечивать, размер котла, необходимого для его питания, и количество топлива, которое он будет потреблять. Они были разработаны эмпирическим путем после изучения десятков двигателей Ньюкомена в Корнуолле и Ньюкасле и постройки собственного экспериментального двигателя у себя дома в Осторпе в 1770 году. К тому времени, когда двигатель Уатта был представлен всего несколько лет спустя, Смитон построил десятки все более крупных двигателей в диапазоне 100 л. с. [29]
Работая в Университете Глазго в качестве изготовителя и ремонтника инструментов в 1759 году, Джеймс Уатт познакомился с силой пара благодаря профессору Джону Робисону . Увлеченный, Уатт принялся читать все, что мог, по этой теме, и самостоятельно разработал концепцию скрытой теплоты , только недавно опубликованную Джозефом Блэком в том же университете. Когда Уатт узнал, что в университете есть небольшая рабочая модель двигателя Ньюкомена, он настоял на том, чтобы ее вернули из Лондона, где ее безуспешно ремонтировали. Уатт отремонтировал машину, но обнаружил, что она едва ли функционирует даже после полного ремонта.
Поработав с конструкцией, Уатт пришел к выводу, что 80% пара, используемого двигателем, тратилось впустую. Вместо того чтобы обеспечивать движущую силу, он использовался для нагрева цилиндра. В конструкции Ньюкомена каждый рабочий ход начинался с распыления холодной воды, которая не только конденсировала пар, но и охлаждала стенки цилиндра. Это тепло приходилось восполнять, прежде чем цилиндр снова принимал пар. В двигателе Ньюкомена тепло поставлялось только паром, поэтому, когда паровой клапан снова открывался, большая его часть конденсировалась на холодных стенках, как только попадала в цилиндр. Прошло значительное время и пара, прежде чем цилиндр снова нагрелся и пар начал его заполнять.
Уатт решил проблему распыления воды, переместив холодную воду в другой цилиндр, расположенный рядом с силовым цилиндром. После завершения впускного хода между ними открывался клапан, и любой пар, поступивший в цилиндр, конденсировался внутри этого холодного цилиндра. Это создавало вакуум, который втягивал больше пара в цилиндр, и так далее, пока пар не конденсировался в основном. Затем клапан закрывался, и работа главного цилиндра продолжалась так же, как и в обычном двигателе Ньюкомена. Поскольку силовой цилиндр оставался при рабочей температуре, система была готова к следующему ходу, как только поршень оттягивался обратно наверх. Поддержание температуры осуществлялось рубашкой вокруг цилиндра, куда поступал пар. Уатт создал рабочую модель в 1765 году.
Убежденный, что это большой шаг вперед, Уатт заключил партнерские соглашения, чтобы обеспечить венчурный капитал , пока он работал над конструкцией. Не довольствуясь этим единственным улучшением, Уатт неустанно работал над серией других улучшений практически каждой части двигателя. Уатт еще больше усовершенствовал систему, добавив небольшой вакуумный насос для откачки пара из цилиндра в конденсатор, что еще больше сократило время цикла. Более радикальным изменением по сравнению с конструкцией Ньюкомена было закрытие верхней части цилиндра и введение пара низкого давления над поршнем. Теперь мощность создавалась не за счет разницы атмосферного давления и вакуума, а за счет давления пара и вакуума, несколько более высокого значения. При обратном ходе вверх пар сверху передавался по трубе на нижнюю сторону поршня, готовый к конденсации для хода вниз. Герметизация поршня в двигателе Ньюкомена достигалась путем поддержания небольшого количества воды на его верхней стороне. Это было уже невозможно в двигателе Уатта из-за наличия пара. Уатт приложил значительные усилия, чтобы найти работающее уплотнение, в конечном итоге полученное с помощью смеси жира и масла. Шток поршня также проходил через сальник на верхней крышке цилиндра, уплотненный аналогичным образом. [30]
Проблема уплотнения поршня была вызвана невозможностью изготовить достаточно круглый цилиндр. Уатт пытался расточить цилиндры из чугуна, но они были слишком некруглыми. Уатт был вынужден использовать кованый железный цилиндр. [31] Следующая цитата взята из Roe (1916):
«Когда [Джон] Смитон впервые увидел двигатель, он сообщил Обществу инженеров, что «не существует ни инструментов, ни рабочих, которые могли бы изготовить такую сложную машину с достаточной точностью»» [31]
Ватт наконец посчитал конструкцию достаточно хорошей для выпуска в 1774 году, и двигатель Уатта был выпущен на рынок. Поскольку части конструкции можно было легко установить на существующие двигатели Ньюкомена, не было необходимости строить совершенно новый двигатель на рудниках. Вместо этого Уатт и его деловой партнер Мэтью Болтон лицензировали усовершенствования операторам двигателей, взимая с них часть денег, которые они сэкономили бы за счет снижения расходов на топливо. Конструкция оказалась чрезвычайно успешной, и была создана компания Болтона и Уатта , чтобы лицензировать конструкцию и помочь новым производителям строить двигатели. Позже они открыли литейный завод в Сохо для производства собственных двигателей.
В 1774 году Джон Уилкинсон изобрел расточную машину с валом, удерживающим расточный инструмент, поддерживаемым с обоих концов, простирающимся через цилиндр, в отличие от тогдашних консольных расточных машин. С помощью этой машины он смог успешно расточить цилиндр для первого коммерческого двигателя Болтона и Уатта в 1776 году. [31]
Уатт никогда не переставал совершенствовать свои конструкции. Это еще больше увеличило скорость рабочего цикла, ввело регуляторы, автоматические клапаны, поршни двойного действия, различные роторные отборы мощности и многие другие усовершенствования. Технология Уатта сделала возможным широкое коммерческое использование стационарных паровых двигателей. [32]
Хамфри Гейнсборо создал модель конденсационной паровой машины в 1760-х годах, которую он показал Ричарду Ловеллу Эджворту , члену Лунного общества . Гейнсборо считал, что Уатт использовал его идеи для изобретения; [33] однако Джеймс Уатт в тот период не был членом Лунного общества, и его многочисленные отчеты, объясняющие последовательность мыслительных процессов, приведших к окончательному проекту, как правило, опровергают эту историю.
Мощность все еще ограничивалась низким давлением, смещением цилиндра, скоростями сгорания и испарения и емкостью конденсатора. Максимальная теоретическая эффективность ограничивалась относительно низкой разницей температур по обе стороны поршня; это означало, что для того, чтобы двигатель Уатта обеспечивал полезное количество мощности, первые серийные двигатели должны были быть очень большими, и поэтому их было дорого строить и устанавливать.
Уатт разработал двигатель двойного действия, в котором пар приводил поршень в движение в обоих направлениях, тем самым увеличивая скорость и эффективность двигателя. Принцип двойного действия также значительно увеличивал выходную мощность данного физического размера двигателя. [34] [35]
Boulton & Watt переработали поршневой двигатель в ротационный тип . В отличие от двигателя Ньюкомена, двигатель Уатта мог работать достаточно плавно, чтобы быть подключенным к приводному валу — через солнечную и планетарную шестерни — для обеспечения вращательной мощности вместе с двухсторонними конденсационными цилиндрами. Самый ранний образец был построен в качестве демонстрационного образца и был установлен на фабрике Boulton для работы машин для притирки (полировки) кнопок или чего-то подобного. По этой причине он всегда был известен как Lap Engine . [36] [37] В ранних паровых двигателях поршень обычно соединялся штоком с уравновешенной балкой, а не напрямую с маховиком, и поэтому эти двигатели известны как лучевые двигатели .
Ранние паровые двигатели не обеспечивали достаточно постоянной скорости для критических операций, таких как прядение хлопка. Для управления скоростью двигатель использовался для перекачивания воды для водяного колеса, которое приводило в действие машины. [38] [39]
В XVIII веке назрела необходимость в более высоких давлениях; этому решительно сопротивлялся Уатт, который использовал монополию, которую ему дал патент, чтобы помешать другим строить двигатели высокого давления и использовать их в транспортных средствах. Он не доверял технологии котлов того времени, способу их изготовления и прочности используемых материалов.
Важными преимуществами двигателей высокого давления были:
Недостатки были следующими:
Главное различие между работой паровых машин высокого и низкого давления заключается в источнике силы, которая перемещает поршень. В машинах Ньюкомена и Уатта именно конденсация пара создает большую часть разницы давлений, заставляя атмосферное давление (Ньюкомен) и пар низкого давления, редко превышающее давление котла в 7 фунтов на квадратный дюйм [40] плюс вакуум конденсатора [41] (Уатт), перемещать поршень. В машине высокого давления большая часть разницы давлений обеспечивается паром высокого давления из котла; сторона низкого давления поршня может находиться под атмосферным давлением или быть подключена к давлению конденсатора. Индикаторная диаграмма Ньюкомена , почти вся ниже атмосферной линии, возродится почти 200 лет спустя, когда цилиндр низкого давления двигателей тройного расширения будет обеспечивать около 20% мощности двигателя, снова почти полностью ниже атмосферной линии. [42]
Первым известным сторонником «сильного пара» был Якоб Леупольд в своей схеме двигателя, которая появилась в энциклопедических трудах примерно с 1725 года . Различные проекты для паровых лодок и транспортных средств также появлялись на протяжении всего столетия, одним из самых многообещающих была конструкция Николаса-Жозефа Кюньо , который продемонстрировал свой «фардье» (паровой фургон) в 1769 году. Хотя рабочее давление, используемое для этого транспортного средства, неизвестно, небольшой размер котла давал недостаточную скорость производства пара, чтобы позволить фардье продвигаться более чем на несколько сотен метров за раз, прежде чем ему приходилось останавливаться, чтобы поднять пар. Были предложены другие проекты и модели, но, как и в случае с моделью Уильяма Мердока 1784 года, многие из них были заблокированы Болтоном и Уаттом.
Это не применялось в США, и в 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, совершал регулярные коммерческие рейсы по реке Делавэр между Филадельфией, штат Пенсильвания, и Берлингтоном, штат Нью-Джерси, перевозя до 30 пассажиров. Это судно обычно могло развивать скорость от 7 до 8 миль в час и проплывало более 2000 миль (3200 км) за свой короткий срок службы. Пароход Фитча не имел коммерческого успеха, так как этот маршрут был достаточно покрыт относительно хорошими дорогами для фургонов. В 1802 году Уильям Симингтон построил практичный пароход, а в 1807 году Роберт Фултон использовал паровой двигатель Уатта для приведения в действие первого коммерчески успешного парохода . [ необходима цитата ]
Оливер Эванс, в свою очередь, выступал за «сильный пар», который он применял в лодочных двигателях и для стационарных целей. Он был пионером цилиндрических котлов; однако котлы Эванса действительно перенесли несколько серьезных взрывов котлов, что, как правило, придавало вес сомнениям Уатта. Он основал Pittsburgh Steam Engine Company в 1811 году в Питтсбурге , штат Пенсильвания. [43] Компания внедрила паровые двигатели высокого давления в речную торговлю в бассейне Миссисипи .
Первая паровая машина высокого давления была изобретена в 1800 году Ричардом Тревитиком . [44]
Важность повышения давления пара (с термодинамической точки зрения) заключается в том, что он достигает более высокой температуры. Таким образом, любой двигатель, использующий пар высокого давления, работает при более высокой температуре и перепаде давления, чем это возможно с вакуумным двигателем низкого давления. Таким образом, двигатель высокого давления стал основой для большинства дальнейших разработок поршневой паровой технологии. Тем не менее, около 1800 года «высокое давление» равнялось тому, что сегодня считалось бы очень низким давлением, т. е. 40-50 фунтов на квадратный дюйм (276-345 кПа), суть в том, что рассматриваемый двигатель высокого давления был неконденсирующимся, приводимым в действие исключительно расширяющейся силой пара, и как только этот пар выполнял работу, он обычно выпускался при давлении выше атмосферного. Выброс выпускаемого пара в дымоход можно было использовать для создания принудительной тяги через колосниковую решетку и, таким образом, увеличения скорости горения, следовательно, создания большего количества тепла в меньшей печи за счет создания противодавления на выпускной стороне поршня.
21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе был продемонстрирован первый самоходный железнодорожный паровой двигатель или паровоз, построенный Ричардом Тревитиком . [45]
Около 1811 года Ричарду Тревитику потребовалось обновить насосный двигатель Уатта, чтобы приспособить его к одному из его новых больших цилиндрических корнуольских котлов . Когда Тревитик уехал в Южную Америку в 1816 году, его усовершенствования продолжил Уильям Симс. Параллельно Артур Вульф разработал составной двигатель с двумя цилиндрами, так что пар расширялся в цилиндре высокого давления, прежде чем выпускаться в цилиндр низкого давления. Эффективность была дополнительно улучшена Сэмюэлем Гроузом, который изолировал котел, двигатель и трубы. [46]
Давление пара над поршнем было увеличено, в конечном итоге достигнув 40 фунтов на квадратный дюйм (0,28 МПа ) или даже 50 фунтов на квадратный дюйм (0,34 МПа ) и теперь обеспечивало большую часть мощности для хода вниз; в то же время была улучшена конденсация. Это значительно повысило эффективность, и дальнейшие насосные двигатели в системе Корнуолла (часто известные как двигатели Корнуолла ) продолжали строиться новыми на протяжении всего 19 века. Старые двигатели Уатта были модернизированы для соответствия.
Принятие этих корнуэльских усовершенствований было медленным в текстильных производственных районах, где уголь был дешевым, из-за более высокой капитальной стоимости двигателей и большего износа, которому они подвергались. Изменения начались только в 1830-х годах, обычно путем добавления еще одного (высокого давления) цилиндра. [47]
Другим ограничением ранних паровых двигателей была изменчивость скорости, что делало их непригодными для многих текстильных применений, особенно прядения. Для того чтобы получить постоянную скорость, ранние паровые текстильные фабрики использовали паровой двигатель для перекачивания воды в водяное колесо, которое приводило в движение машины. [48]
Многие из этих двигателей поставлялись по всему миру и обеспечивали надежную и эффективную работу в течение многих лет с существенно сниженным потреблением угля. Некоторые из них были очень большими, и этот тип продолжали строить вплоть до 1890-х годов.
.jpg/1280px-Corliss_valvegear,_Gordon's_improved_(New_Catechism_of_the_Steam_Engine,_1904).jpg)
Паровой двигатель Корлисса ( запатентован в 1849 году) был назван величайшим усовершенствованием со времен Джеймса Уатта. [49] Двигатель Корлисса имел значительно улучшенный контроль скорости и лучшую эффективность, что делало его пригодным для всех видов промышленного применения, включая прядение.
Corliss использовал отдельные порты для подачи и выпуска пара, что не позволяло выхлопным газам охлаждать проход, используемый горячим паром. Corliss также использовал частично вращающиеся клапаны, которые обеспечивали быстрое действие, помогая снизить потери давления. Сами клапаны также были источником уменьшенного трения, особенно по сравнению с золотниковым клапаном, который обычно использовал 10% мощности двигателя. [50]
Corliss использовал автоматическое регулируемое отключение. Клапанный механизм контролировал скорость двигателя, используя регулятор для изменения времени отключения. Это частично отвечало за повышение эффективности в дополнение к лучшему контролю скорости.
.jpg/1280px-Porter-Allen_high-speed_engine_(New_Catechism_of_the_Steam_Engine,_1904).jpg)
Двигатель Портера-Аллена, представленный в 1862 году, использовал усовершенствованный клапанный механизм, разработанный для Портера Алленом, механиком исключительных способностей, и поначалу был широко известен как двигатель Аллена. Высокоскоростной двигатель был точной машиной, которая была хорошо сбалансирована, достижения стали возможными благодаря достижениям в области станков и производственных технологий. [50]
Высокоскоростной двигатель работал на скоростях поршня от трех до пяти раз больше скорости обычных двигателей. Он также имел низкую изменчивость скорости. Высокоскоростной двигатель широко использовался на лесопилках для питания циркулярных пил. Позднее он использовался для выработки электроэнергии.
Двигатель имел несколько преимуществ. В некоторых случаях его можно было напрямую соединять. Если бы использовались шестерни или ремни и барабаны, они могли бы быть гораздо меньшего размера. Сам двигатель также был небольшим для той мощности, которую он развивал. [50]
Портер значительно улучшил регулятор с шаровым маховиком, уменьшив вращающийся вес и добавив груз вокруг вала. Это значительно улучшило контроль скорости. Регулятор Портера стал ведущим типом к 1880 году. [ необходима цитата ]
Эффективность двигателя Портера-Аллена была хорошей, но не равной эффективности двигателя Корлисса. [13]
[51] Однопоточный двигатель был самым эффективным типом двигателя высокого давления. Он был изобретен в 1911 году и впервые запатентован в 1885 году Леонардом Дженнетом Тоддом. Однопоточный двигатель использовал тарельчатые клапаны и полуцилиндры, которые позволяли пару проходить в двигатель, затем использовался для создания среды высокого давления, которая была ключевой для функции однопоточного двигателя. Он использовался на кораблях, паровозах и паровых вагонах, но был вытеснен паровыми турбинами и позднее морскими дизельными двигателями . [50] [52] [53] [17]
{{cite book}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка ) CS1 maint: постскриптум ( ссылка ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )