Атмосферный двигатель был изобретен Томасом Ньюкоменом в 1712 году и часто упоминается как пожарная машина Ньюкомена (см. ниже) или просто как двигатель Ньюкомена . Двигатель работал за счет конденсации пара, втягиваемого в цилиндр, тем самым создавая частичный вакуум, который позволял атмосферному давлению вдавливать поршень в цилиндр. Он имел историческое значение как первое практическое устройство, использовавшее пар для производства механической работы . [1] [2] Двигатели Ньюкомена использовались по всей Британии и Европе , в основном для откачки воды из шахт . Сотни были построены на протяжении 18 века.
Более поздняя конструкция двигателя Джеймса Уатта была улучшенной версией двигателя Ньюкомена, которая примерно удвоила топливную эффективность . Многие атмосферные двигатели были преобразованы в конструкцию Уатта, по цене, которая основывалась на части экономии топлива. В результате Уатт сегодня более известен, чем Ньюкомен, в отношении происхождения парового двигателя .
До Ньюкомена было создано несколько небольших паровых устройств различных видов, но большинство из них были по сути новинками. [3] Около 1600 года ряд экспериментаторов использовали пар для питания небольших фонтанов, работающих как кофеварка . Сначала емкость заполнялась водой через трубу, которая проходила через верхнюю часть емкости почти до дна. Нижняя часть трубы погружалась в воду, делая емкость герметичной. Затем емкость нагревалась, чтобы вода закипела. Образующийся пар создавал давление в емкости, но внутренняя труба, погруженная в жидкость снизу и не имеющая герметичного уплотнения сверху, оставалась под более низким давлением; расширяющийся пар заставлял воду снизу емкости поступать в трубу и выходить из сопла сверху . Эти устройства имели ограниченную эффективность, но иллюстрировали жизнеспособность принципа.
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 . [4]
В 1662 году Эдвард Сомерсет, 2-й маркиз Вустер , опубликовал книгу, содержащую несколько идей, над которыми он работал. [5] Одна из них была о паровом насосе для подачи воды в фонтаны; устройство попеременно использовало частичный вакуум и давление пара. Два контейнера попеременно заполнялись паром, затем распылялись холодной водой, заставляя пар внутри конденсироваться; это создавало частичный вакуум, который втягивал воду по трубе из колодца в контейнер. Затем свежий заряд пара под давлением выталкивал воду из контейнера вверх по другой трубе в коллектор более высокого уровня, прежде чем этот пар конденсировался, и цикл повторялся. За счет попеременной работы двух контейнеров можно было увеличить скорость подачи в коллекторный бак.
В 1698 году Томас Савери запатентовал паровой насос, который он назвал «Друг шахтера» [6], по сути идентичный конструкции Сомерсета и почти наверняка являющийся его прямой копией. [ необходима ссылка ] Процесс охлаждения и создания вакуума был довольно медленным, поэтому Савери позже добавил внешний распылитель холодной воды, чтобы быстро охладить пар.
Изобретение Саверея нельзя строго считать первым паровым «двигателем», поскольку оно не имело движущихся частей и не могло передавать свою энергию никакому внешнему устройству. Очевидно, на Miner's Friend возлагались большие надежды, что привело к тому, что парламент продлил срок действия патента на 21 год, так что патент 1699 года истек только в 1733 году. К сожалению, устройство Саверея оказалось гораздо менее успешным, чем надеялись.
Теоретическая проблема с устройством Савери возникла из-за того, что вакуум мог поднять воду только на максимальную высоту около 30 футов (9 м); к этому можно было добавить еще 40 футов (12 м) или около того, поднятых давлением пара. Этого было недостаточно, чтобы откачивать воду из шахты. В брошюре Савери он предлагает установить котел и контейнеры на уступе в шахтном стволе и даже серию из двух или более насосов для более глубоких уровней. Очевидно, что это были неудобные решения, и был желателен какой-то механический насос, работающий на уровне поверхности — тот, который поднимал воду напрямую, а не «всасывал» ее. Такие насосы уже были распространены, приводимые в движение лошадьми, но требовали вертикального возвратно-поступательного привода, которого система Савери не обеспечивала. Более практическая проблема касалась работы котла под давлением, как это было продемонстрировано, когда взорвался котел двигателя в Веднесбери , возможно, в 1705 году.
Луи Фигуйе в своем монументальном труде [7] приводит полную цитату из статьи Дени Папена , опубликованной в 1690 году в Acta eruditorum в Лейпциге, под названием «Nouvelle méthode pour obtenir à bas prix des forces considérables» (Новый метод дешевого получения значительных сил). Кажется, эта идея пришла Папену во время работы с Робертом Бойлем в Королевском обществе в Лондоне. Папен описывает, как сначала налил небольшое количество воды на дно вертикального цилиндра, вставил поршень на шток и после предварительного откачивания воздуха из-под поршня развел огонь под цилиндром, чтобы выпарить воду и создать достаточное давление пара, чтобы поднять поршень к верхнему концу цилиндра. Затем поршень временно заблокировали в верхнем положении пружинным фиксатором, зацепившимся за выемку в штоке. Затем огонь убрали, дав цилиндру остыть, что конденсировало пар обратно в воду, таким образом создавая вакуум под поршнем. К концу поршневого штока был прикреплен шнур, проходящий через два шкива, и груз свисал с конца шнура. После освобождения защелки поршень резко тянулся вниз к дну цилиндра за счет разницы давления между атмосферой и созданным вакуумом; таким образом, было создано достаточно силы, чтобы поднять 60-фунтовый (27 кг) груз. «Несколько его статей были представлены Королевскому обществу между 1707 и 1712 годами [включая] описание его атмосферного парового двигателя 1690 года, похожего на тот, который построил и [впоследствии] ввел в эксплуатацию Томас Ньюкомен в 1712 году». [8]
-New_York-2_Aug_1775_REV.jpg/1280px-US-Colonial_(NY-173)-New_York-2_Aug_1775_REV.jpg)
Ньюкомен развил эксперимент Папена и сделал его работоспособным, хотя существует мало информации о том, как именно это произошло. Основная проблема, на которую Папен не дал решения, заключалась в том, как сделать действие повторяющимся через регулярные интервалы. Путь вперед состоял в том, чтобы предоставить, как это сделал Савери, котел, способный обеспечить непрерывность подачи пара в цилиндр, обеспечивая вакуумный рабочий ход путем конденсации пара и утилизацию воды после ее конденсации. Силовой поршень подвешивался цепями к концу качающейся балки. В отличие от устройства Савери, насосная установка была полностью механической, работа паровой машины заключалась в подъеме утяжеленного стержня, подвешенного к противоположному концу качающейся балки. Стержень спускался по шахтному стволу под действием силы тяжести и приводил в действие силовой насос или шестовой насос (или чаще всего группу из двух) внутри шахтного ствола. Всасывающий ход насоса был только для длины восходящего (заливочного) хода, следовательно, больше не было 30-футового ограничения вакуумного насоса, и вода могла быть нагнетена вверх по колонне с гораздо большей глубины. Котел подавал пар под чрезвычайно низким давлением и сначала располагался непосредственно под силовым цилиндром, но также мог быть размещен за разделительной стенкой с соединительной паровой трубой. Выполнение всей этой работы требовало навыков практического инженера; профессия Ньюкомена как «торговца скобяными изделиями» или торговца металлом дала ему значительные практические знания о том, какие материалы подойдут для такого двигателя, и свела его с людьми, имеющими еще более подробные знания.
Самыми ранними примерами, для которых существуют достоверные записи, были два двигателя в Black Country , из которых более известным был тот, что был возведен в 1712 году на угольном заводе Conygree в Bloomfield Road Tipton , сейчас это местонахождение "The Angle Ring Company Limited", Tipton . [9] Это, как правило, считается первым успешным двигателем Ньюкомена, а за ним последовал еще один, построенный в полутора милях к востоку от Вулверхэмптона . Оба они использовались Ньюкоменом и его партнером Джоном Колли для откачки воды из угольных шахт. Сегодня рабочую копию можно увидеть в соседнем музее Black Country Living Museum , который стоит на другой части того, что было парком Conygree лорда Дадли . Еще один двигатель Ньюкомена находился в Корнуолле . Его местонахождение неизвестно, но известно, что один работал на шахте Wheal Vor в 1715 году. [10] Вскоре стали поступать заказы с влажных шахт по всей Англии, и некоторые предполагают, что слухи о его достижении распространились через его связи с баптистами . Поскольку патент Савери еще не истек, Ньюкомен был вынужден заключить с ним соглашение и работать по патенту последнего, поскольку его срок был намного больше, чем любой Ньюкомен мог бы легко получить. В последние годы своего существования патент принадлежал некорпоративной компании The Proprietors of the Invention for water raise by fire .
Хотя его первое применение было в районах добычи угля, двигатель Ньюкомена также использовался для откачки воды из металлических шахт в его родной Западной стране, таких как оловянные шахты Корнуолла. К моменту своей смерти Ньюкомен и другие установили более сотни его двигателей не только в Западной стране и Мидлендсе, но и в северном Уэльсе, недалеко от Ньюкасла и в Камбрии. Небольшое количество было построено в других европейских странах, в том числе во Франции, Бельгии, Испании и Венгрии, а также в Даннеморе, Швеция . Доказательства использования парового двигателя Ньюкомена, связанного с ранними угольными шахтами, были обнаружены в 2010 году в Мидлотиане, штат Вирджиния (место расположения некоторых из первых угольных шахт в США). (Обследование Dutton and Associates от 24 ноября 2009 года).
Хотя двигатель Ньюкомена был основан на простых принципах, он был довольно сложным и показывал признаки постепенного развития, проблемы решались эмпирически по мере их возникновения. Он состоял из котла A , обычно котла из стога сена, расположенного прямо под цилиндром. Он производил большое количество пара очень низкого давления, не более 1–2 фунтов на квадратный дюйм (0,07–0,14 бар) — максимально допустимое давление для котла, который в более ранних версиях был сделан из меди с куполообразной верхней частью из свинца, а позже полностью собирался из небольших заклепанных железных пластин. Действие двигателя передавалось через качающуюся «Большую сбалансированную балку» , точка опоры E которой опиралась на очень прочную торцевую стену специально построенного машинного отделения, при этом сторона насоса выступала наружу здания, а двигатель находился внутри . Насосные штанги подвешивались цепью к арочной головке F большой балки. Из внутренней арочной головки D был подвешен поршень P, работающий в цилиндре B , верхний конец которого был открыт в атмосферу над поршнем , а нижний конец закрыт, за исключением короткой впускной трубы, соединяющей цилиндр с котлом; ранние цилиндры изготавливались из литой латуни, но вскоре выяснилось, что чугун более эффективен и гораздо дешевле в производстве. Поршень был окружен уплотнением в виде кожаного кольца, но поскольку отверстие цилиндра было закончено вручную и не совсем точно, слой воды должен был постоянно поддерживаться наверху поршня. Высоко в машинном отделении был установлен водяной бак C (или коллекторный бак ), питаемый небольшим внутренним насосом, подвешенным к меньшей арочной головке. Коллекторный бак подавал холодную воду под давлением через стояк для конденсации пара в цилиндре с небольшим ответвлением, подающим воду для уплотнения цилиндра; при каждом верхнем ходе поршня избыточная теплая вода для уплотнения переливалась по двум трубам, одна во внутренний колодец, а другая для питания котла самотеком.
Насосное оборудование было тяжелее парового поршня, поэтому положение балки в состоянии покоя было «насосом вниз»/«двигателем вверх», что называлось «вне дома».
Чтобы запустить двигатель, регулирующий клапан V открывался, и пар из котла поступал в цилиндр, заполняя пространство под поршнем. Затем регулирующий клапан закрывался, а клапан впрыска воды V' на короткое время открывался и закрывался, посылая струю холодной воды в цилиндр. Это конденсировало пар и создавало частичный вакуум под поршнем. Перепад давления между атмосферой над поршнем и частичным вакуумом под ним затем опускал поршень вниз, совершая рабочий ход , приводя балку «в дом» и поднимая шестерню насоса.
Затем пар снова впускался в цилиндр, разрушая вакуум и выталкивая конденсат вниз по опускающейся или «выводной» трубе. Когда пар низкого давления из котла поступал в цилиндр, вес насоса и шестерни возвращал балку в исходное положение, одновременно выталкивая воду из шахты.
Этот цикл повторялся примерно 12 раз в минуту.
Ньюкомен обнаружил, что его первый двигатель через некоторое время переставал работать, и в конце концов обнаружил, что это было связано с небольшим количеством воздуха, поступающим в цилиндр с паром. Вода обычно содержит некоторое количество растворенного воздуха, и кипячение воды высвобождало его вместе с паром. Этот воздух не мог конденсироваться водяной струей и постепенно накапливался, пока двигатель не становился «ветровым». Чтобы предотвратить это, в нижней части цилиндра был установлен выпускной клапан, называемый «snifting clack» или клапан snifter. Он открывался на короткое время, когда впервые вводился пар, и неконденсирующийся газ выталкивался из цилиндра. Его название произошло от шума, который он издавал, когда выпускал воздух и пар «как человек, вдыхавший простуду». [11]
В ранних версиях клапаны или заглушки , как их тогда называли, управлялись вручную человеком, управляющим заглушками , но повторяющиеся действия требовали точного расчета времени, что делало автоматическое действие желательным. Это достигалось с помощью вала заглушки , который представлял собой балку, подвешенную вертикально вдоль цилиндра к небольшой головке арки с помощью перекрещенных цепей, ее функция заключалась в автоматическом открытии и закрытии клапанов, когда балка достигала определенных положений, с помощью толкателей и спусковых механизмов с использованием грузов. На двигателе 1712 года насос подачи воды был прикреплен к нижней части вала заглушки, но более поздние двигатели имели насос снаружи, подвешенный к отдельной небольшой головке арки. Существует распространенная легенда, что в 1713 году мальчик -петух по имени Хамфри Поттер [12], в чьи обязанности входило открывать и закрывать клапаны двигателя, за которым он следил, сделал двигатель самодействующим, заставив саму балку открывать и закрывать клапаны с помощью подходящих шнуров и защелок [13] (известных как «шнур гончара»); [14] однако устройство штепсельного дерева (первая форма клапанного механизма ), скорее всего, было устоявшейся практикой до 1715 года и четко изображено на самых ранних известных изображениях двигателей Ньюкомена Генри Бейтона (1717) [15] (как полагал Халс, изображающее двигатель угольного завода Гриффа 1714 года) и Томаса Барни (1719) (изображающее двигатель Дадли Касл 1712 года). Из-за очень большого расхода пара двигатель приходилось периодически останавливать и перезапускать, но даже этот процесс был автоматизирован с помощью буя, поднимающегося и опускающегося в вертикальной стояковой трубе, закрепленной на котле. Буй был прикреплен к scoggen , утяжеленному рычагу, который блокировал клапан впрыска воды, пока не поднимется больше пара.
На большинстве изображений показана только сторона двигателя, не дающая никакой информации о насосах. Текущее мнение таково, что, по крайней мере, на ранних двигателях использовались насосы с усилием, создаваемым собственным весом , а работа двигателя заключалась исключительно в подъеме стороны насоса для следующего хода насоса вниз. Это устройство использовалось для реплики Dudley Castle, которая эффективно работает с изначально заявленной скоростью 12 ходов в минуту/10 имперских галлонов (45 литров), поднимаемых за ход. Более поздние двигатели Уатта использовали подъемные насосы, работающие от хода двигателя, и, возможно, более поздние версии двигателя Ньюкомена делали то же самое.
К концу своей карьеры атмосферный двигатель был значительно улучшен в своих механических деталях и пропорциях Джоном Смитоном , который построил много больших двигателей этого типа в 1770-х годах. [13] Острая необходимость в двигателе, который давал бы вращательное движение, давала о себе знать, и это было сделано с ограниченным успехом Уосборо и Пикардом, которые использовали двигатель Ньюкомена для приведения в движение маховика через кривошип . Хотя принцип кривошипа был давно известен, Пикарду удалось получить 12-летний патент в 1780 году на конкретное применение кривошипа в паровых двигателях; это было неудачей для Болтона и Уатта, которые обошли патент, применив движение солнца и планеты к своему усовершенствованному ротационному двигателю двойного действия 1782 года.
К 1725 году двигатель Ньюкомена стал широко использоваться в горнодобывающей промышленности, особенно в угольных шахтах . Он сохранил свое место с небольшими материальными изменениями до конца столетия. Использование двигателя Ньюкомена было расширено в некоторых местах для перекачивания муниципального водоснабжения; например, первый двигатель Ньюкомена во Франции был построен в Пасси в 1726 году для перекачивания воды из Сены в город Париж. [16] Он также использовался для приведения в действие машин косвенно, путем возврата воды из-под водяного колеса в резервуар над ним, так что та же вода могла снова вращать колесо. Одним из самых ранних примеров этого был Коулбрукдейл . Насос с лошадиным приводом был установлен в 1735 году для возврата воды в бассейн над старой доменной печью. Он был заменен двигателем Ньюкомена в 1742–3 годах. [17] Несколько новых печей, построенных в Шропшире в 1750-х годах, были оснащены аналогичным способом, включая Horsehay и Ketley Furnaces и Madeley Wood или Bedlam Furnaces . [18] У последних, похоже, не было бассейна над печью, а был только бак, в который закачивалась вода. В других отраслях промышленности насосное оборудование было менее распространено, но Ричард Аркрайт использовал двигатель для обеспечения дополнительной мощности для своей хлопчатобумажной фабрики . [19]
Были предприняты попытки приводить в движение машины с помощью двигателей Ньюкомена, но они не увенчались успехом, поскольку один рабочий ход производил очень прерывистое движение. [ необходима цитата ]
Основная проблема конструкции Ньюкомена заключалась в том, что она неэффективно использовала энергию и, следовательно, была дорогой в эксплуатации. После того, как водяной пар внутри достаточно охладился, чтобы создать вакуум, стенки цилиндра были достаточно холодными, чтобы сконденсировать часть пара, который был впущен во время следующего такта впуска. Это означало, что значительное количество топлива использовалось только для того, чтобы нагреть цилиндр до точки, где пар снова начнет его заполнять. Поскольку потери тепла были связаны с поверхностями, а полезная работа связана с объемом, увеличение размера двигателя повышало эффективность, и двигатели Ньюкомена со временем становились больше. Однако эффективность не имела большого значения в контексте угольной шахты, где уголь был доступен в свободном доступе.
Двигатель Ньюкомена был заменен только тогда, когда Джеймс Уатт улучшил его в 1769 году, чтобы избежать этой проблемы ( Университет Глазго попросил Уатта отремонтировать модель двигателя Ньюкомена ; небольшую модель, которая преувеличивала проблему). В паровом двигателе Уатта конденсация происходила во внешнем конденсаторном блоке, присоединенном к паровому цилиндру через трубу. Когда клапан на трубе открывался, вакуум в конденсаторе, в свою очередь, откачивал ту часть цилиндра, которая находилась под поршнем. Это исключало охлаждение стенок главного цилиндра и т. п., и значительно сокращало потребление топлива. Это также позволило разработать цилиндр двойного действия , как с рабочим ходом вверх, так и с рабочим ходом вниз, увеличивая количество мощности от двигателя без значительного увеличения размера двигателя. [20]
Конструкция Уатта, представленная в 1769 году, не устранила двигатели Ньюкомена немедленно. Решительная защита Уаттом своих патентов привела к продолжению использования двигателя Ньюкомена в попытке избежать уплаты роялти . Когда в 1800 году истек срок действия его патентов, началась спешка с установкой двигателей Уатта, и двигатели Ньюкомена были оттеснены даже в угольных шахтах.
Newcomen Memorial Engine можно увидеть работающим в родном городе Ньюкомена Дартмуте , куда он был перевезен в 1963 году Обществом Ньюкомена. Считается, что он датируется 1725 годом, когда он был первоначально установлен на угольной шахте Грифф около Ковентри. [21]
Двигатель был установлен на угольной шахте в Эштон-андер-Лайн примерно в 1760 году. [22] Известный среди местных жителей как Fairbottom Bobs, он сейчас хранится в Музее Генри Форда в Дирборне, штат Мичиган . [23]
Единственный сохранившийся в своем первоначальном месте двигатель в стиле Ньюкомена находится в нынешнем Elsecar Heritage Centre , недалеко от Барнсли в Южном Йоркшире. Вероятно, это был последний коммерчески используемый двигатель в стиле Ньюкомена, так как он работал с 1795 по 1923 год. Двигатель прошел обширные работы по консервации, вместе с его оригинальным валом и машинным отделением, которые были завершены осенью 2014 года.
Существует два статических образца двигателя Ньюкомена. Один находится в Музее науки в Лондоне . [24] Второй образец находится в Национальном музее Шотландии . Ранее находился в угольной шахте Капрингтон в Килмарноке . [25]
Другой пример, первоначально использовавшийся на угольной шахте Фарм , экспонируется в Саммерли, Музее шотландской промышленной жизни ; что необычно, он использовался для намотки, а не для перекачивания воды, и находился в эксплуатации почти столетие, когда его исследовали на месте в 1902 году. [26] [27]
В 1986 году в музее Black Country Living Museum в Дадли была завершена полномасштабная рабочая копия парового двигателя Ньюкомена 1712 года . [28] Это единственная существующая полноразмерная рабочая копия двигателя, и считается, что она находится в паре миль от места, где был построен первый завершенный двигатель, установленный в 1712 году. [29] «Пожарная машина», как ее называли, представляет собой впечатляющее кирпичное здание, из одной стены которого выступает деревянная балка. Стержни свисают с внешнего конца балки и приводят в действие насосы на дне шахтного ствола, которые поднимают воду на поверхность. Сам двигатель прост, имеет только котел, цилиндр, поршень и рабочие клапаны. Угольный огонь нагревает воду в котле, который представляет собой немного больше, чем закрытую кастрюлю, а образующийся пар затем проходит через клапан в латунный цилиндр над котлом. Цилиндр имеет длину более 2 метров и диаметр 52 сантиметра. Пар в цилиндре конденсируется путем впрыскивания холодной воды, а вакуум под поршнем тянет внутренний конец балки вниз и заставляет насос двигаться. [30]
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )Двигатель, выставленный в Дартмуте, был передан в дар Британской транспортной комиссией Обществу Ньюкомена в 1963 году и установлен на старой электроподстанции. Этот конкретный двигатель был построен около 1725 года на угольной шахте Грифф, прежде чем был перемещен в другое место.
