Атмосферный двигатель был изобретен Томасом Ньюкоменом в 1712 году, и его часто называют пожарной машиной Ньюкомена (см. ниже) или просто двигателем Ньюкомена . Двигатель работал за счет конденсации пара, всасываемого в цилиндр, тем самым создавая частичный вакуум, который позволял атмосферному давлению проталкивать поршень в цилиндр. Он имел историческое значение как первое практическое устройство, использующее пар для выполнения механической работы . [1] [2] Двигатели Ньюкомена использовались по всей Великобритании и Европе , в основном для откачки воды из шахт . Сотни были построены на протяжении 18 века.
Более поздняя конструкция двигателя Джеймса Уатта представляла собой улучшенную версию двигателя Ньюкомена, которая примерно удвоила топливную экономичность . Многие атмосферные двигатели были переоборудованы в конструкцию Ватта по цене, основанной на небольшой экономии топлива. В результате Уатт сегодня более известен, чем Ньюкомен, в отношении происхождения парового двигателя .
До Ньюкомена было изготовлено множество небольших паровых устройств различных типов, но большинство из них были по сути новинками. [3] Около 1600 года ряд экспериментаторов использовали пар для приведения в действие небольших фонтанчиков , работающих как кофеварка . Сначала контейнер наполняли водой через трубку, которая проходила через верхнюю часть контейнера почти до дна. Нижняя часть трубы будет погружена в воду, что сделает контейнер герметичным. Затем контейнер нагревали, чтобы вода закипела. Образующийся пар создавал давление в контейнере, но внутренняя труба, погруженная снизу в жидкость и не имевшая герметичного уплотнения сверху, оставалась под более низким давлением; Расширяющийся пар вынуждал воду на дне контейнера попадать в трубу и подниматься вверх по трубе, выбрасывая ее из сопла наверху. Эти устройства имели ограниченную эффективность, но продемонстрировали жизнеспособность принципа.
В 1606 году испанец Херонимо де Аянс-и-Бомон продемонстрировал и получил патент на водяной насос с паровым приводом. Насос успешно использовался для осушения затопленных шахт Гуадалканала в Испании . [4]
В 1662 году Эдвард Сомерсет, 2-й маркиз Вустер , опубликовал книгу, содержащую несколько идей, над которыми он работал. [5] Один был для парового насоса для подачи воды в фонтаны; устройство попеременно использовало частичный вакуум и давление пара. Два контейнера поочередно заполнялись паром, а затем опрыскивались холодной водой, в результате чего пар внутри конденсировался; это создавало частичный вакуум, который затягивал воду по трубе из колодца в контейнер. Свежий заряд пара под давлением затем перекачивал воду из контейнера по другой трубе к коллектору более высокого уровня, прежде чем этот пар конденсировался, и цикл повторялся. Попеременно работая с двумя контейнерами, можно увеличить скорость подачи в напорный резервуар.
В 1698 году Томас Савери запатентовал паровой насос, который он назвал «Друг шахтера», [6] по существу идентичный конструкции Сомерсета и почти наверняка являющийся прямой копией. [ нужна цитация ] Процесс охлаждения и создания вакуума был довольно медленным, поэтому Савери позже добавил внешний распылитель холодной воды, чтобы быстро охладить пар.
Изобретение Савери нельзя строго рассматривать как первую паровую «машину», поскольку оно не имело движущихся частей и не могло передавать свою мощность какому-либо внешнему устройству. На «Друга шахтера», очевидно, возлагались большие надежды, что побудило парламент продлить срок действия патента на 21 год, чтобы срок действия патента 1699 года истекал не раньше 1733 года. К сожалению, устройство Савери оказалось гораздо менее успешным, чем ожидалось.
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 бы добавить еще около 40 футов (12 м) за счет давления пара. Этого было недостаточно для откачки воды из шахты. В брошюре Савери он предлагает установить котел и контейнеры на уступе шахты и даже установить несколько насосов для более глубоких уровней. Очевидно, что это были неудобные решения, и желательно было использовать какой-то механический насос, работающий на уровне поверхности, который поднимал бы воду напрямую, а не «всасывал» ее. Такие насосы уже были обычным явлением, приводились в движение лошадьми, но требовали вертикального возвратно-поступательного привода, которого система Савери не обеспечивала. Более практическая проблема заключалась в том, чтобы котел работал под давлением, как это было продемонстрировано, когда котел двигателя в Веднсбери взорвался , возможно, в 1705 году.
Луи Фигье в своей монументальной работе [7] приводит полную цитату из статьи Дени Папена, опубликованной в 1690 году в Acta eruditorum в Лейпциге и озаглавленной «Новый метод дешевого получения значительных сил» (Новый метод дешевого получения значительных сил ). ). Похоже, идея пришла Папену во время работы с Робертом Бойлем в Королевском обществе в Лондоне. Папен описывает, как сначала наливают небольшое количество воды на дно вертикального цилиндра, вставляют поршень в стержень и после предварительного откачивания воздуха из-под поршня поджигают огонь под цилиндром, чтобы выпарить воду и создать достаточное давление пара, чтобы поднимите поршень к верхнему концу цилиндра. Затем поршень временно фиксировался в верхнем положении с помощью пружинного фиксатора, входящего в паз на штоке. Затем огонь потушили, позволив цилиндру остыть, в результате чего пар снова превратился в воду, создав таким образом вакуум под поршнем. К концу штока поршня был прикреплен шнур, пропущенный через два шкива, и с конца шнура свисал груз. После отпускания защелки поршень резко опустился ко дну цилиндра из-за разницы давлений между атмосферой и созданным вакуумом; Таким образом, было создано достаточно силы, чтобы поднять груз массой 60 фунтов (27 кг). «Несколько его документов были представлены Королевскому обществу между 1707 и 1712 годами, [включая] описание его атмосферного парового двигателя 1690 года, аналогичного тому, который был построен и [впоследствии] введен в эксплуатацию Томасом Ньюкоменом 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 осуществимым, хотя существует мало информации о том, как именно это произошло. Основная проблема, которую Папен не дал решения, заключалась в том, как сделать действие повторяемым через равные промежутки времени. Путь вперед заключался в том, чтобы создать, как это сделал Савери, котел, способный обеспечить непрерывность подачи пара в цилиндр, обеспечить вакуумный рабочий ход за счет конденсации пара и утилизировать воду после ее конденсации. Силовой поршень подвешивался на цепях к концу качающейся балки. В отличие от устройства Савери, откачка была полностью механической: работа парового двигателя заключалась в подъеме утяжеленного стержня, подвешенного к противоположному концу качающейся балки. Стержень спускался по шахтному стволу под действием силы тяжести и приводил в движение силовой насос или шестовой насос (или чаще всего группу из двух) внутри шахтного ствола. Ход всасывания насоса составлял только длину хода вверх (всасывания), следовательно, больше не существовало 30-футового ограничения вакуумного насоса, и воду можно было выталкивать вверх по колонне с гораздо большей глубины. Котел подавал пар при чрезвычайно низком давлении и сначала располагался непосредственно под силовым цилиндром, но также мог быть размещен за разделительной стенкой с соединительной паровой трубой. Для выполнения всей этой работы требовались навыки практического инженера; Работа Ньюкомена в качестве «торговца скобяными изделиями» или металла дала бы ему значительные практические знания о том, какие материалы подойдут для такого двигателя, и позволила бы ему познакомиться с людьми, обладающими еще более подробными знаниями.
Самыми ранними примерами, о которых существуют надежные записи, были два двигателя в Черной стране , из которых более известным был двигатель, установленный в 1712 году на угольном заводе Конигри на Блумфилд-роуд, Типтон, ныне на территории компании «The Angle Ring Company Limited», Типтон . [9] Это общепризнано как первый успешный двигатель Ньюкомена, за которым последовал двигатель, построенный в полутора милях к востоку от Вулверхэмптона . Оба они использовались Ньюкоменом и его партнером Джоном Келли для откачки заполненных водой угольных шахт. Рабочую копию сегодня можно увидеть в соседнем Живом музее Черной страны , который стоит в другой части того, что раньше было парком Конигри лорда Дадли . Еще один паровоз Ньюкомена находился в Корнуолле . Его местонахождение неизвестно, но известно, что один из них работал на руднике Уил-Вор в 1715 году . связи. Поскольку срок действия патента Савери еще не истек, Ньюкомен был вынужден прийти к соглашению с Савери и действовать в соответствии с патентом последнего, поскольку срок его действия был намного дольше, чем любой Ньюкомен мог бы легко получить. В последние годы своего существования патент принадлежал некорпоративной компании « Владельцы изобретения» по подъему воды с помощью огня .
Хотя его первое использование было в районах добычи угля, двигатель Ньюкомена также использовался для откачки воды из металлических рудников в его родной Западной стране, таких как оловянные рудники Корнуолла. К моменту его смерти Ньюкомен и другие установили более сотни его двигателей не только в Вест-Кантри и Мидлендсе, но также 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 на первых угольных шахтах были обнаружены в 2010 году в Мидлотиане, штат Вирджиния (место расположения некоторых из первых угольных шахт в США). (опрос Dutton and Associates от 24 ноября 2009 г.).
Несмотря на то, что машина Ньюкомена была основана на простых принципах, она была довольно сложной и демонстрировала признаки постепенного развития, а проблемы решались эмпирически по мере их возникновения. Он состоял из котла А , обычно котла из стога сена, расположенного непосредственно под цилиндром. При этом производилось 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 свинцовой крышкой, а позже полностью собран из небольшие клепаные железные пластины. 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 за пределы здания, при этом двигатель был находится внутри дома . Насосные штанги подвешивались на цепи к арке F огромной балки. К внутренней сводчатой головке D подвешивался поршень Р , работавший в цилиндре В , верхний конец которого был открыт в атмосферу над поршнем , а нижний конец закрыт, за исключением короткой впускной трубки, соединяющей цилиндр с цилиндром. котел; Первые цилиндры изготавливались из литой латуни, но вскоре выяснилось, что чугун более эффективен и дешевле в производстве. Поршень был окружен уплотнением в виде кожаного кольца, но так как канал цилиндра доделывался вручную и не совсем верно, то поверх поршня приходилось постоянно поддерживать слой воды. Высоко в машинном отделении был установлен резервуар для воды С (или напорный резервуар ), питаемый небольшим насосом, подвешенным к меньшей арке. В коллекторный бак подавалась холодная вода под давлением через стояк для конденсации пара в цилиндре с небольшим патрубком подачи герметизирующей воды цилиндра; при каждом верхнем ходе поршня избыток теплой затворной воды переливался по двум трубам: одна в собственный колодец, а другая самотеком питала котел.
Насосное оборудование было тяжелее парового поршня, поэтому положение балки в состоянии покоя было насосом вниз/двигателем вверх, что называлось «вне дома».
Для запуска двигателя клапан -регулятор V открывался и в цилиндр поступал пар из котла, заполняя пространство под поршнем. Затем регулирующий клапан закрывался, а клапан впрыска воды V' на короткое время открывался и закрывался, посылая в цилиндр струю холодной воды. Это конденсировало пар и создавало частичный вакуум под поршнем. Перепад давления между атмосферой над поршнем и частичным вакуумом внизу заставил поршень опуститься, сделав рабочий ход , введя балку «в дом» и подняв шестерню насоса.
Затем пар снова поступал в цилиндр, разрушая вакуум и вытесняя конденсат по опускающейся или «выпускной» трубе. Когда пар низкого давления из котла поступал в цилиндр, вес насоса и шестерни возвращал балку в исходное положение, одновременно поднимая воду из шахты.
Этот цикл повторялся примерно 12 раз в минуту.
Ньюкомен обнаружил, что его первый двигатель через некоторое время перестал работать, и в конце концов обнаружил, что это произошло из-за того, что вместе с паром в цилиндр попадало небольшое количество воздуха. Вода обычно содержит некоторое количество растворенного воздуха, и при кипении воды он выделяется вместе с паром. Этот воздух не мог конденсироваться водяными брызгами и постепенно накапливался, пока двигатель не стал «зависшим от ветра». Чтобы предотвратить это, в нижней части цилиндра был установлен выпускной клапан, называемый «снифтинг-клак» или снифтерный клапан. Он ненадолго открылся, когда пар впервые был введен, и неконденсирующийся газ был вытеснен из цилиндра. Его название произошло от шума, который он издавал, когда выпускал воздух и пар, «как человек, чихающий при простуде». [11]
В ранних версиях клапаны или заглушки , как их тогда называли, приводились в действие вручную специалистом по заглушкам, но повторяющиеся действия требовали точного времени, что делало желательным автоматическое действие. Это было достигнуто с помощью заглушки , которая представляла собой балку, подвешенную вертикально рядом с цилиндром к небольшой арочной головке с помощью скрещенных цепей, ее функция заключалась в автоматическом открытии и закрытии клапанов, когда балка достигала определенных положений, с помощью толкателей и спускового механизма. механизмы с использованием весов. На двигателе 1712 насос подачи воды был прикреплен к нижней части пробки, но в более поздних двигателях насос подвешивался снаружи на отдельной небольшой арке. Существует распространенная легенда, что в 1713 году мальчик-петух по имени Хамфри Поттер, [12] в обязанности которого входило открывать и закрывать клапаны двигателя, за которым он ухаживал, заставил двигатель работать самостоятельно, заставляя саму балку открывать и закрывать клапан. клапаны соответствующими шнурами и защелками [13] (известные как «гончарный шнур»); [14] однако устройство плунжерного дерева (первая форма клапанного механизма ), скорее всего, было устоявшейся практикой до 1715 года и четко изображено на самых ранних известных изображениях двигателей Ньюкомена, сделанных Генри Бейтоном (1717) [15] (по мнению Халса, изобразить двигатель шахты Грифф 1714 года) и Томаса Барни (1719 г.) (с изображением двигателя замка Дадли 1712 года). Из-за очень большой потребности в пару двигатель приходилось периодически останавливать и перезапускать, но даже этот процесс был автоматизирован с помощью подъема и опускания буя в вертикальном стояке, прикрепленном к котлу. Буй был прикреплен к скоггену , утяжеленному рычагу, который останавливал клапан нагнетания воды и закрывал его до тех пор, пока не поднимется больше пара.
На большинстве изображений показана только сторона двигателя, без какой-либо информации о насосах. Текущее мнение таково, что, по крайней мере, на ранних двигателях использовались насосы с собственным грузом , причем работа двигателя заключалась исключительно в подъеме стороны насоса для подготовки следующего хода насоса вниз. Это устройство, используемое в точной копии замка Дадли, которая эффективно работает с первоначально заявленной скоростью 12 гребков в минуту / 10 британских галлонов (45 литров), поднимаемых за гребок. В более поздних двигателях Ватта использовались подъемные насосы, приводимые в движение ходом двигателя, и, возможно, более поздние версии двигателя Ньюкомена делали то же самое.
К концу своей карьеры атмосферный двигатель был значительно улучшен в механических деталях и пропорциях Джоном Смитоном , который построил множество больших двигателей этого типа в 1770-х годах. [13] Острая необходимость в двигателе, обеспечивающем вращательное движение, давала о себе знать, и это было сделано с ограниченным успехом Васборо и Пикардом , используя двигатель Ньюкомена для приведения в движение маховика через кривошип . Хотя принцип кривошипа был давно известен, Пикарду удалось получить в 1780 году 12-летний патент на конкретное применение кривошипа в паровых машинах; это стало неудачей для Бултона и Уатта, которые обошли патент, применив движение Солнца и планеты к своему усовершенствованному ротационному двигателю двойного действия 1782 года.
К 1725 году двигатель Ньюкомена широко использовался в горнодобывающей промышленности, особенно на угольных шахтах . Он удерживал свое место с небольшими существенными изменениями до конца столетия. В некоторых местах использование двигателя Ньюкомена было распространено на перекачку муниципального водоснабжения; например, первый двигатель Ньюкомена во Франции был построен в Пасси в 1726 году для перекачки воды из Сены в город Париж. [16] Его также использовали для косвенного привода в действие механизмов, возвращая воду из-под водяного колеса в резервуар над ним, чтобы та же вода могла снова вращать колесо. Среди самых ранних примеров этого был Колбрукдейл . В 1735 году был установлен насос с лошадиным приводом для возврата воды в бассейн над старой доменной печью. В 1742–1743 годах он был заменен двигателем Ньюкомена. [17] Несколько новых печей, построенных в Шропшире в 1750-х годах, приводились в действие аналогичным образом, в том числе печи Хорсей и Кетли , а также печи Мэдли Вуд или Бедлам . [18] У последнего, похоже, не было бассейна над печью, а был просто резервуар, в который закачивалась вода. В других отраслях насосная установка была менее распространена, но Ричард Аркрайт использовал двигатель для обеспечения дополнительной мощности своей хлопчатобумажной фабрики . [19]
Были предприняты попытки привести машины в движение двигателями Ньюкомена, но они оказались безуспешными, поскольку одиночный рабочий ход приводил к очень резким движениям. [ нужна цитата ]
Основная проблема конструкции Ньюкомена заключалась в том, что она использовала энергию неэффективно и, следовательно, была дорогой в эксплуатации. После того, как водяной пар внутри был достаточно охлажден, чтобы создать вакуум, стенки цилиндра стали достаточно холодными, чтобы конденсировать часть пара, поступившего во время следующего такта впуска. Это означало, что значительное количество топлива использовалось только для того, чтобы снова нагреть цилиндр до точки, когда пар снова начал его заполнять. Поскольку потери тепла были связаны с поверхностями, а полезная работа связана с объемом, увеличение размера двигателя увеличивало эффективность, и двигатели Ньюкомена со временем становились больше. Однако эффективность не имела большого значения в контексте угольных шахт, где уголь был в свободном доступе.
Двигатель Ньюкомена был заменен только тогда, когда Джеймс Уатт улучшил его в 1769 году, чтобы избежать этой проблемы ( Университет Глазго попросил Ватта отремонтировать модель двигателя Ньюкомена ; небольшую модель, которая преувеличивала проблему). В паровом двигателе Ватта конденсация происходила во внешнем конденсаторе, прикрепленном к паровому цилиндру через трубу. Когда клапан на трубе открывался, вакуум в конденсаторе, в свою очередь, вакуумировал ту часть цилиндра, которая находится под поршнем. Это устранило охлаждение стенок главного цилиндра и тому подобное, а также значительно снизило расход топлива. Это также позволило разработать цилиндр двойного действия с рабочим ходом как вверх, так и вниз, увеличивая мощность двигателя без значительного увеличения размера двигателя.
Проект Уатта, представленный в 1769 году, не сразу исключил двигатели Ньюкомена. Энергичная защита Ваттом своих патентов привела к продолжению использования двигателя Ньюкомена в попытке избежать выплаты роялти . Когда в 1800 году истек срок действия его патентов, началась спешка с установкой двигателей Уатта, и двигатели Ньюкомена были затмены даже на угольных шахтах.
Мемориальный паровоз Ньюкомена можно увидеть работающим в родном городе Ньюкомена Дартмуте , куда он был перенесен в 1963 году Обществом Ньюкомена. Считается, что это датируется 1725 годом, когда он был первоначально установлен на шахте Грифф недалеко от Ковентри. [20]
Двигатель был установлен на шахте в Эштон-андер-Лайн примерно в 1760 году. [21] Известный в местном масштабе как Fairbottom Bobs, он сейчас хранится в музее Генри Форда в Дирборне, штат Мичиган . [22]
Единственный двигатель в стиле Ньюкомена, который до сих пор сохранился на своем первоначальном месте, находится в том месте, где сейчас находится Центр наследия Эльсекара , недалеко от Барнсли в Южном Йоркшире. Вероятно, это был последний коммерчески использовавшийся двигатель типа Ньюкомена, поскольку он работал с 1795 по 1923 год. Двигатель подвергся обширным консервационным работам вместе с его оригинальным валом и машинным отделением, которые были завершены осенью 2014 года.
Статический пример двигателя Ньюкомена находится в Музее науки в Лондоне . [23]
Статический образец двигателя Ньюкомена находится в Национальном музее Шотландии . Раньше работал на шахте Кэпрингтон в Килмарноке . [24]
Пример, первоначально использовавшийся на шахте Farme , выставлен в Саммерли, Музее промышленной жизни Шотландии ; необычно, что он использовался для намотки, а не для перекачки воды, и на момент исследования на месте в 1902 году он находился в эксплуатации почти столетие. [25] [26]
В 1986 году полномасштабная действующая копия парового двигателя Ньюкомена 1712 года была завершена в Живом музее Черной страны в Дадли. [27] Это единственная существующая полноразмерная действующая копия двигателя, и считается, что она находится в паре миль от места, где был построен первый законченный двигатель, установленный в 1712 году. [28] «Пожарная машина» как она есть Известно, что это впечатляющее кирпичное здание, из одной стены которого выступает деревянная балка. Стержни свисают с внешнего конца балки и приводят в действие насосы внизу шахты, которые поднимают воду на поверхность. Сам двигатель простой, состоит только из котла, цилиндра, поршня и рабочих клапанов. Угольный огонь нагревает воду в котле, который представляет собой немногим больше, чем закрытая кастрюля, и 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 за счет впрыска холодной воды, а вакуум под поршнем тянет внутренний конец балки вниз и заставляет насос двигаться. [29]
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)Двигатель, выставленный в Дартмуте, был подарен Британской транспортной комиссией Обществу Ньюкомена в 1963 году и установлен на старой электроподстанции. Этот конкретный двигатель был построен примерно в 1725 году на шахте Грифф, а затем переехал в другое место.
