Паровой двигатель Уатта был изобретен Джеймсом Уаттом и стал синонимом паровых двигателей во время промышленной революции . Прошло много лет, прежде чем на смену базовой конструкции Уатта пришли принципиально новые конструкции.
Первые паровые двигатели , представленные Томасом Ньюкоменом в 1712 году, имели «атмосферную» конструкцию. В конце рабочего хода вес объекта, перемещаемого двигателем, тянул поршень к верхней части цилиндра, поскольку вводился пар. Затем цилиндр охлаждался струей воды, которая заставляла пар конденсироваться, образуя частичный вакуум в цилиндре. Атмосферное давление на верхнюю часть поршня толкало его вниз, поднимая рабочий объект. Джеймс Уатт заметил, что требуется значительное количество тепла, чтобы снова нагреть цилиндр до точки, где пар мог войти в цилиндр без немедленной конденсации. Когда цилиндр становился достаточно теплым, чтобы наполниться паром, мог начаться следующий рабочий ход.
Уатт понял, что тепло, необходимое для нагрева цилиндра, можно сэкономить, добавив отдельный конденсационный цилиндр. После того, как силовой цилиндр заполнялся паром, открывался клапан во вторичный цилиндр, позволяя пару поступать в него и конденсироваться, что вытягивало пар из главного цилиндра, вызывая рабочий ход. Конденсационный цилиндр охлаждался водой, чтобы поддерживать конденсацию пара. В конце рабочего хода клапан закрывался, чтобы силовой цилиндр мог заполняться паром, когда поршень двигался вверх. Результатом был тот же цикл, что и в конструкции Ньюкомена, но без охлаждения силового цилиндра, который был немедленно готов к следующему ходу.
Уатт работал над конструкцией в течение нескольких лет, внедряя конденсатор и внося улучшения практически в каждую часть конструкции. В частности, Уатт провел длительную серию испытаний способов герметизации поршня в цилиндре, что значительно уменьшило утечку во время рабочего хода, предотвращая потерю мощности. Все эти изменения привели к более надежной конструкции, которая использовала вдвое меньше угля для производства того же количества энергии. [1]
Новая конструкция была представлена коммерчески в 1776 году, первый образец был продан металлургическому заводу Carron Company . Уатт продолжал работать над улучшением двигателя и в 1781 году представил систему, использующую солнечную и планетарную передачу для превращения линейного движения двигателей во вращательное движение. Это сделало его полезным не только в первоначальной насосной роли, но и в качестве прямой замены в ролях, где ранее использовалось водяное колесо . Это был ключевой момент в промышленной революции, поскольку источники энергии теперь могли быть расположены где угодно, а не нуждаться в подходящем источнике воды и рельефе , как раньше . Партнер Уатта Мэтью Болтон начал разрабатывать множество машин, которые использовали эту вращательную силу, разработав первую современную индустриальную фабрику, Soho Foundry , которая, в свою очередь, производила новые конструкции паровых двигателей. Ранние двигатели Уатта были похожи на оригинальные конструкции Ньюкомена тем, что они использовали пар низкого давления, и вся энергия вырабатывалась за счет атмосферного давления. Когда в начале 1800-х годов другие компании представили паровые двигатели высокого давления, Уатт не хотел следовать их примеру из-за проблем безопасности. [2] Желая улучшить производительность своих двигателей, Уатт начал рассматривать использование пара высокого давления, а также конструкции с использованием нескольких цилиндров как в концепции двойного действия, так и в концепции многократного расширения. Эти двигатели двойного действия потребовали изобретения параллельного движения , которое позволяло поршневым штокам отдельных цилиндров двигаться по прямым линиям, сохраняя поршень в цилиндре, в то время как конец балансира двигался по дуге, что несколько напоминало крейцкопф в более поздних паровых двигателях.
В 1698 году английский конструктор-механик Томас Савери изобрел насосное устройство, которое использовало пар для забора воды непосредственно из скважины с помощью вакуума, создаваемого конденсирующимся паром. Устройство также было предложено для осушения шахт , но оно могло поднимать жидкость только на высоту около 25 футов, что означало, что оно должно было располагаться на этом расстоянии от осушаемого дна шахты. Поскольку шахты становились глубже, это часто становилось непрактичным. Оно также потребляло большое количество топлива по сравнению с более поздними двигателями. [3]
Решение проблемы осушения глубоких шахт было найдено Томасом Ньюкоменом , который разработал «атмосферный» двигатель , который также работал по принципу вакуума. Он использовал цилиндр, содержащий подвижный поршень, соединенный цепью с одним концом качающейся балки, которая приводила в действие механический подъемный насос с противоположного конца. В нижней части каждого хода пар поступал в цилиндр под поршнем. Когда поршень поднимался внутри цилиндра, подтягиваемый вверх противовесом, он втягивал пар при атмосферном давлении. В верхней части хода паровой клапан закрывался, и в цилиндр на короткое время впрыскивалась холодная вода в качестве средства охлаждения пара. Эта вода конденсировала пар и создавала частичный вакуум под поршнем. Атмосферное давление снаружи двигателя тогда было больше, чем давление внутри цилиндра, тем самым вталкивая поршень в цилиндр. Поршень, прикрепленный к цепи и, в свою очередь, прикрепленный к одному концу «качающейся балки», тянул вниз конец балки, поднимая противоположный конец балки. Таким образом, насос глубоко в шахте, прикрепленный к противоположному концу балки с помощью канатов и цепей, приводился в действие. Насос толкал, а не тянул столб воды вверх, поэтому он мог поднимать воду на любое расстояние. Как только поршень оказывался внизу, цикл повторялся. [3]
Двигатель Ньюкомена был мощнее двигателя Савери. Впервые воду можно было поднимать с глубины более 300 футов. [4] Первый образец 1712 года смог заменить команду из 500 лошадей, которые использовались для откачки шахты. Семьдесят пять насосных двигателей Ньюкомена были установлены на шахтах в Великобритании, Франции, Голландии, Швеции и России. За следующие пятьдесят лет в конструкцию двигателя было внесено всего несколько небольших изменений.
Хотя двигатели Ньюкомена приносили практическую пользу, они были неэффективны с точки зрения использования энергии для их питания. Система попеременной подачи струй пара, затем холодной воды в цилиндр означала, что стенки цилиндра попеременно нагревались, затем охлаждались с каждым ходом. Каждый введенный заряд пара продолжал конденсироваться до тех пор, пока цилиндр снова не достигал рабочей температуры. Таким образом, при каждом ходе часть потенциала пара терялась.
В 1763 году Джеймс Уатт работал изготовителем инструментов в Университете Глазго , когда ему поручили отремонтировать модель двигателя Ньюкомена, и он заметил, насколько она неэффективна. [5]
В 1765 году Уатт задумал оснастить двигатель отдельной конденсационной камерой, которую он назвал «конденсатором» . Поскольку конденсатор и рабочий цилиндр были разделены, конденсация происходила без значительной потери тепла из цилиндра. Конденсатор оставался холодным и ниже атмосферного давления все время, в то время как цилиндр оставался горячим все время.
Пар из котла втягивался в цилиндр под поршнем . Когда поршень достигал верхней части цилиндра, клапан впуска пара закрывался, а клапан, контролирующий проход в конденсатор, открывался. Конденсатор, находящийся под более низким давлением, втягивал пар из цилиндра в конденсатор, где он охлаждался и конденсировался из водяного пара в жидкую воду, поддерживая частичный вакуум в конденсаторе, который сообщался с пространством цилиндра через соединительный проход. Затем внешнее атмосферное давление толкало поршень вниз по цилиндру.
Разделение цилиндра и конденсатора исключило потерю тепла, которая происходила при конденсации пара в рабочем цилиндре двигателя Ньюкомена. Это дало двигателю Уатта большую эффективность, чем двигатель Ньюкомена, уменьшив количество потребляемого угля при выполнении того же объема работы, что и двигатель Ньюкомена.
В конструкции Уатта холодная вода впрыскивалась только в конденсационную камеру. Этот тип конденсатора известен как струйный конденсатор . Конденсатор расположен в ванне с холодной водой под цилиндром. Объем воды, поступающей в конденсатор в виде распыления, поглощал скрытую теплоту пара и был определен как семикратный объем конденсированного пара. Конденсат и впрыскиваемая вода затем удалялись воздушным насосом, а окружающая холодная вода служила для поглощения оставшейся тепловой энергии для поддержания температуры конденсатора от 30 °C до 45 °C и эквивалентного давления от 0,04 до 0,1 бар [6]
При каждом такте теплый конденсат отводился из конденсатора и отправлялся в горячий колодец вакуумным насосом, который также помогал откачивать пар из-под силового цилиндра. Еще теплый конденсат перерабатывался в качестве питательной воды для котла.
Следующим усовершенствованием конструкции Ньюкомена, внесенным Уаттом, было уплотнение верхней части цилиндра и окружение цилиндра рубашкой. Пар пропускался через рубашку перед тем, как попасть под поршень, сохраняя поршень и цилиндр теплыми, чтобы предотвратить конденсацию внутри него. Вторым усовершенствованием было использование расширения пара против вакуума с другой стороны поршня. Подача пара прекращалась во время хода, и пар расширялся против вакуума с другой стороны. Это увеличивало эффективность двигателя, но также создавало переменный крутящий момент на валу, что было нежелательно для многих применений, в частности, для насосов. Поэтому Уатт ограничил расширение соотношением 1:2 (т. е. подача пара прекращалась на половине хода). Это увеличило теоретический КПД с 6,4% до 10,6% при небольшом изменении давления поршня. [6] Уатт не использовал пар высокого давления из соображений безопасности. [2] : 85
Эти усовершенствования привели к созданию полностью разработанной версии 1776, которая фактически пошла в производство. [7]
Отдельный конденсатор показал впечатляющий потенциал для усовершенствования двигателя Ньюкомена, но Уатт все еще был обескуражен, казалось бы, непреодолимыми проблемами, прежде чем можно было усовершенствовать двигатель, пригодный для продажи. Только после вступления в партнерство с Мэтью Болтоном это стало реальностью. Уатт рассказал Болтону о своих идеях по улучшению двигателя, и Болтон, заядлый предприниматель, согласился профинансировать разработку испытательного двигателя в Сохо , недалеко от Бирмингема . Наконец Уатт получил доступ к объектам и практическому опыту мастеров, которые вскоре смогли заставить первый двигатель работать. После полной разработки он потреблял примерно на 75% меньше топлива, чем аналогичный двигатель Ньюкомена.
В 1775 году Уатт спроектировал два больших двигателя: один для шахты Блумфилд в Типтоне , завершенный в марте 1776 года, и один для металлургического завода Джона Уилкинсона в Брозли в Шропшире , который был запущен в работу в следующем месяце. Третий двигатель, в Стратфорд-ле-Боу в восточном Лондоне, также работал тем летом. [8]
Ватт безуспешно пытался в течение нескольких лет получить точно расточенный цилиндр для своих паровых двигателей и был вынужден использовать кованое железо, которое было некруглым и вызывало утечку через поршень. Джозеф Уикхем Роу заявил в 1916 году: «Когда [Джон] Смитон увидел первый двигатель, он сообщил Обществу инженеров, что «не существует ни инструментов, ни рабочих, которые могли бы изготовить такую сложную машину с достаточной точностью » ». [9]
В 1774 году Джон Уилкинсон изобрел расточной станок, в котором вал, удерживающий режущий инструмент, поддерживался с обоих концов и проходил через цилиндр, в отличие от консольных расточных станков, которые тогда использовались. Болтон писал в 1776 году, что «мистер Уилкинсон просверлил нам несколько цилиндров почти без ошибок; тот, диаметром 50 дюймов, который мы установили в Типтоне, не ошибается на толщину старого шиллинга ни в одной части». [9]
Практика Болтона и Уатта заключалась в том, чтобы помогать владельцам шахт и другим клиентам строить двигатели, поставляя людей для их установки и некоторые специализированные детали. Однако их основная прибыль от патента была получена за счет взимания лицензионного сбора с владельцев двигателей, основанного на стоимости сэкономленного ими топлива. Более высокая топливная эффективность их двигателей означала, что они были наиболее привлекательны в районах, где топливо было дорогим, в частности в Корнуолле , для которого в 1777 году были заказаны три двигателя для шахт Уил-Бизи , Тинг-Танг и Чейсуотер . [10]
Первые двигатели Уатта были двигателями атмосферного давления, как и двигатель Ньюкомена, но с конденсацией, происходящей отдельно от цилиндра. Приведение двигателей в действие с использованием как пара низкого давления, так и частичного вакуума повысило возможность разработки поршневого двигателя . [11] Расположение клапанов могло попеременно впускать пар низкого давления в цилиндр, а затем соединяться с конденсатором. Следовательно, направление рабочего хода могло быть изменено на противоположное, что облегчало получение вращательного движения. Дополнительными преимуществами двигателя двойного действия были повышенная эффективность, более высокая скорость (большая мощность) и более равномерное движение.
До разработки поршня двойного действия связь с балкой и штоком поршня осуществлялась посредством цепи, что означало, что мощность могла быть приложена только в одном направлении, путем тяги. Это было эффективно в двигателях, которые использовались для перекачивания воды, но двойное действие поршня означало, что он мог толкать, а также тянуть. Это было невозможно, пока балка и шток были соединены цепью. Кроме того, было невозможно соединить шток поршня герметичного цилиндра непосредственно с балкой, потому что в то время как шток двигался вертикально по прямой линии, балка поворачивалась в своем центре, причем каждая сторона описывала дугу. Чтобы соединить противоречивые действия балки и поршня, Уатт разработал свое параллельное движение . Это устройство использовало четырехзвенную связь , соединенную с пантографом, для создания требуемого прямолинейного движения гораздо дешевле, чем если бы он использовал связь ползункового типа. Он очень гордился своим решением.
Соединение балки с поршневым валом с помощью средства, которое прикладывало силу попеременно в обоих направлениях, также означало, что можно было использовать движение балки для вращения колеса. Самым простым решением для преобразования действия балки во вращательное движение было соединение балки с колесом с помощью кривошипа , но поскольку другая сторона имела патентные права на использование кривошипа, Уатт был вынужден придумать другое решение. [13] Он принял систему планетарной передачи, предложенную сотрудником Уильямом Мердоком , и только позже, когда истек срок действия патентных прав, вернулся к более привычному кривошипу, который можно увидеть в большинстве современных двигателей. [14] Основное колесо, прикрепленное к кривошипу, было большим и тяжелым, служившим маховиком , который, будучи приведенным в движение, своим импульсом поддерживал постоянную мощность и сглаживал действие чередующихся ходов. К его вращающемуся центральному валу можно было прикрепить ремни и шестерни для привода самых разных механизмов.
Поскольку заводское оборудование должно было работать с постоянной скоростью, Уатт соединил паровой регулирующий клапан с центробежным регулятором , который он адаптировал из тех, которые использовались для автоматического управления скоростью ветряных мельниц. [15] Центробежный регулятор не был настоящим регулятором скорости , поскольку он не мог поддерживать заданную скорость в ответ на изменение нагрузки. [16]
Эти усовершенствования позволили паровому двигателю заменить водяное колесо и лошадей в качестве основных источников энергии для британской промышленности, тем самым освободив ее от географических ограничений и став одним из главных двигателей промышленной революции .
Уатт также занимался фундаментальными исследованиями функционирования паровой машины. Его наиболее примечательным измерительным прибором, который используется и по сей день, является индикатор Уатта, включающий манометр для измерения давления пара внутри цилиндра в соответствии с положением поршня, что позволяет построить диаграмму, представляющую давление пара как функцию его объема на протяжении всего цикла.
Самый старый сохранившийся двигатель Уатта — Old Bess 1777 года, сейчас он находится в Музее науки в Лондоне . Самый старый работающий двигатель в мире — двигатель Сметвика , введенный в эксплуатацию в мае 1779 года и сейчас находящийся в Thinktank в Бирмингеме (ранее в ныне несуществующем Музее науки и промышленности в Бирмингеме ). Самый старый, который все еще находится в своем первоначальном машинном отделении и все еще способен выполнять работу, для которой он был установлен, — это двигатель Болтона и Уатта 1812 года на насосной станции Крофтон в Уилтшире . Он использовался для перекачивания воды для канала Кеннет и Эйвон ; в определенные выходные в течение года современные насосы отключаются, и две паровые машины в Крофтоне все еще выполняют эту функцию. Самый старый сохранившийся ротационный паровой двигатель, двигатель Уитбреда (с 1785 года, третий когда-либо построенный ротационный двигатель), находится в Музее электростанций в Сиднее, Австралия. Двигатель Болтона-Уотта 1788 года можно увидеть в Музее науки в Лондоне [17] , а воздуходувный двигатель 1817 года , ранее использовавшийся на металлургическом заводе Нетертона компании MW Grazebrook, теперь украшает Дартмутскую площадь , островок безопасности в начале автомагистрали A38(M) в Бирмингеме.
В музее Генри Форда в Дирборне, штат Мичиган, находится копия ротационного двигателя 1788 Вт. Это полномасштабная рабочая модель двигателя Болтона-Уатта. Американский промышленник Генри Форд заказал копию двигателя у английского производителя Чарльза Саммерфилда в 1932 году. [18] В музее также хранится оригинальный атмосферный насосный двигатель Болтона и Уатта, первоначально использовавшийся для откачки воды из каналов в Бирмингеме, [19] показанный ниже, и использовавшийся на месте на насосной станции Боуайер-стрит, [20] [21] с 1796 по 1854 год, а затем перевезенный в Дирборн в 1929 году.
Еще один хранится на заводе Фюмель, Франция.
В 1880-х годах Hathorn Davey and Co / Leeds выпустили атмосферный двигатель мощностью 1 л. с. / 125 об./мин с внешним конденсатором, но без расширения пара. Утверждалось, что это был, вероятно, последний коммерческий атмосферный двигатель, который был изготовлен. Как атмосферный двигатель, он не имел котла под давлением. Он был предназначен для малого бизнеса. [22]
Двигатель расширения Уатта обычно рассматривается как представляющий только исторический интерес. Однако есть некоторые недавние разработки, которые могут привести к возрождению этой технологии. Сегодня промышленность производит огромное количество отработанного пара и отработанного тепла с температурой от 100 до 150 °C. Кроме того, солнечные тепловые коллекторы, геотермальные источники энергии и реакторы на биомассе производят тепло в этом диапазоне температур. Существуют технологии использования этой энергии, в частности, органический цикл Ренкина . В принципе, это паровые турбины, которые используют не воду, а жидкость (хладагент), которая испаряется при температуре ниже 100 °C. Однако такие системы довольно сложны. Они работают при давлении от 6 до 20 бар, поэтому вся система должна быть полностью герметичной.
Двигатель расширения может предложить здесь значительные преимущества, в частности, для более низких мощностей от 2 до 100 кВт: при коэффициентах расширения 1:5 теоретическая эффективность достигает 15%, что находится в диапазоне систем ORC. Двигатель расширения использует воду в качестве рабочей жидкости, которая проста, дешева, нетоксична, невоспламеняема и не вызывает коррозии. Он работает при давлении, близком к атмосферному и ниже, так что герметизация не является проблемой. И это простая машина, подразумевающая экономическую эффективность. Исследователи из Университета Саутгемптона / Великобритания в настоящее время разрабатывают современную версию двигателя Уатта для получения энергии из отработанного пара и отработанного тепла. Они улучшили теорию, продемонстрировав, что возможны теоретические КПД до 17,4% (и фактические КПД 11%). [23]
Для демонстрации принципа была построена и испытана экспериментальная модель двигателя мощностью 25 Вт. Двигатель включает в себя расширение пара, а также новые функции, такие как электронное управление. На рисунке показана модель, построенная и испытанная в 2016 году. [24] В настоящее время готовится проект по созданию и испытанию увеличенного двигателя мощностью 2 кВт. [25]
Медиа, связанные с паровыми двигателями Уатта на Wikimedia Commons
