Усовершенствования парового двигателя были одними из самых важных технологий промышленной революции , хотя пар не заменил по важности энергию воды в Британии до окончания промышленной революции. Начиная с атмосферного двигателя англичанина Томаса Ньюкомена 1712 года и заканчивая крупными разработками шотландского изобретателя и инженера-механика Джеймса Уатта , паровой двигатель начал использоваться во многих промышленных условиях, а не только в горнодобывающей промышленности, где первые двигатели использовались для откачки воды из глубоких выработок. Ранние мельницы успешно работали на энергии воды, но с использованием парового двигателя фабрику можно было разместить где угодно, а не только рядом с источником воды. Энергия воды менялась в зависимости от сезона и не всегда была доступна.
В 1776 году Уатт сформировал партнерство по машиностроению и инжинирингу с производителем Мэтью Бултоном . Партнерство Boulton & Watt стало одним из важнейших предприятий промышленной революции и послужило своего рода творческим техническим центром для большей части британской экономики. Партнеры решали технические проблемы и распространяли решения среди других компаний. Аналогичные фирмы делали то же самое в других отраслях и были особенно важны в станкостроении . Эти взаимодействия между компаниями были важны, поскольку они сокращали количество времени и расходов на исследования, которые каждое предприятие должно было тратить, работая со своими собственными ресурсами. Технологические достижения промышленной революции происходили быстрее, потому что фирмы часто делились информацией, которую они затем могли использовать для создания новых технологий или продуктов. Разработка стационарного парового двигателя была очень важным ранним элементом промышленной революции. Однако следует помнить, что на протяжении большей части периода промышленной революции большинство отраслей промышленности по-прежнему полагались на энергию ветра и воды, а также на лошадиную и рабочую силу для приведения в действие небольших машин.
Промышленное использование паровой энергии началось с Томаса Савери в 1698 году. Он сконструировал и запатентовал в Лондоне первый двигатель, который назвал «Другом шахтера», поскольку намеревался откачивать воду из шахт. Ранние версии использовали спаянный медный котел, который легко взрывался при низком давлении пара. Более поздние версии с железным котлом могли поднимать воду примерно на 46 метров (150 футов). Двигатель Савери не имел движущихся частей, кроме ручных клапанов. Пар, однажды поступивший в цилиндр, сначала конденсировался внешним распылением холодной воды, создавая таким образом частичный вакуум, который поднимал воду через трубу с более низкого уровня; затем клапаны открывались и закрывались, и свежий заряд пара подавался непосредственно на поверхность воды, которая теперь находилась в цилиндре, заставляя ее подниматься по выпускной трубе, выходящей на более высокий уровень. Двигатель использовался в качестве водяного насоса с низким подъемом в нескольких шахтах и многочисленных водопроводных сооружениях, но он не имел успеха, поскольку был ограничен в высоте откачки и был склонен к взрывам котла. [1]
Первый практический механический паровой двигатель был представлен Томасом Ньюкоменом в 1712 году. Ньюкомен, по-видимому, задумал свою машину независимо от Савери, но поскольку последний получил широкий патент, Ньюкомен и его коллеги были вынуждены прийти к соглашению с ним, продавая двигатель до 1733 года по совместному патенту. [2] Двигатель Ньюкомена, по-видимому, был основан на экспериментах Папена, проведенных 30 годами ранее, и использовал поршень и цилиндр, один конец которого был открыт в атмосферу над поршнем. Пар чуть выше атмосферного давления (все, что мог выдержать котел) вводился в нижнюю половину цилиндра под поршнем во время вызванного гравитацией хода вверх; затем пар конденсировался струей холодной воды, впрыскиваемой в паровое пространство, чтобы создать частичный вакуум; перепад давления между атмосферой и вакуумом по обе стороны поршня перемещал его вниз в цилиндр, поднимая противоположный конец качающейся балки, к которой был прикреплен ряд насосов возвратно-поступательного действия, приводимых в действие силой тяжести, размещенных в шахте . Рабочий ход двигателя вниз поднимал насос, заполняя его и подготавливая насосный ход. Сначала фазы контролировались вручную, но в течение десяти лет был изобретен спусковой механизм, работающий с помощью вертикального вставного дерева, подвешенного к качающейся балке, что делало двигатель самодействующим.
Несколько двигателей Ньюкомена были успешно использованы в Британии для осушения ранее неработающих глубоких шахт, с двигателем на поверхности; это были большие машины, требовавшие большого капитала для постройки, и вырабатывавшие около 5 л. с. Они были крайне неэффективны по современным стандартам, но когда их размещали там, где уголь был дешевым в шахтах, они открыли большой путь в добыче угля , позволяя шахтам уходить глубже. Несмотря на свои недостатки, двигатели Ньюкомена были надежны и просты в обслуживании и продолжали использоваться на угольных месторождениях до первых десятилетий девятнадцатого века. К 1729 году, когда Ньюкомен умер, его двигатели распространились во Франции , Германии , Австрии , Венгрии и Швеции . Известно, что к 1733 году, когда истек срок действия совместного патента, было построено в общей сложности 110 таких машин, из которых 14 находились за границей. В 1770-х годах инженер Джон Смитон построил несколько очень больших образцов и внес ряд усовершенствований. К 1800 году было построено в общей сложности 1454 паровоза.
Фундаментальное изменение принципов работы было осуществлено Джеймсом Уаттом . При тесном сотрудничестве с Мэтью Бултоном к 1778 году ему удалось усовершенствовать свой паровой двигатель , который включал ряд радикальных усовершенствований; в частности, использование паровой рубашки вокруг цилиндра для поддержания его температуры на уровне пара и, что наиболее важно, камеры парового конденсатора, отдельной от камеры поршня. Эти усовершенствования увеличили эффективность двигателя примерно в пять раз, сэкономив 75% на расходах угля.
Двигатель Ньюкомена в то время не мог быть легко адаптирован для привода вращающегося колеса, хотя Уосборо и Пикарду это удалось сделать примерно в 1780 году. Однако к 1783 году более экономичный паровой двигатель Уатта был полностью разработан в ротационный тип двойного действия с центробежным регулятором , параллельным движением и маховиком , что означало, что его можно было использовать для непосредственного привода вращающегося оборудования фабрики или мельницы. Оба основных типа двигателей Уатта были коммерчески очень успешными.
К 1800 году фирма Boulton & Watt построила 496 двигателей, из которых 164 приводили в действие поршневые насосы, 24 обслуживали доменные печи и 308 приводили в действие мельничное оборудование; большинство двигателей вырабатывали от 5 до 10 л. с. Оценка общей мощности, которую могли вырабатывать все эти двигатели, составляла около 11 200 л. с. Это все еще была лишь часть общей мощности выработки электроэнергии в Британии водяными колесами (120 000 л. с.) и ветряными мельницами (15 000 л. с.); однако энергия воды и ветра была сезонно изменчивой. [3] Newcomen и другие паровые двигатели вырабатывали в то же время около 24 000 л. с.
Развитие станков , таких как токарные станки , строгальные и формовочные станки, приводимые в действие этими двигателями, позволило легко и точно резать все металлические части двигателей, что, в свою очередь, дало возможность строить более крупные и мощные двигатели. [4]
В начале 19 века, после истечения срока действия патента Болтона и Уатта в 1800 году, паровая машина претерпела значительное увеличение мощности за счет использования пара более высокого давления, чего Уатт всегда избегал из-за опасности взрыва котлов, которые находились на очень примитивном уровне развития. [4] [5]
Примерно до 1800 года наиболее распространенной моделью парового двигателя была балочная машина , построенная как неотъемлемая часть каменного или кирпичного паровозного депо, но вскоре были разработаны различные модели автономных переносных двигателей (легко снимаемых, но не на колесах), такие как настольная машина . Дальнейшее уменьшение размера из-за использования более высокого давления произошло к концу 18 века, когда корнуоллский инженер Ричард Тревитик и американский инженер Оливер Эванс независимо друг от друга начали конструировать двигатели более высокого давления (около 40 фунтов на квадратный дюйм (2,7 атм )) с выхлопом в атмосферу, хотя Артур Вольф, работавший на пивоварне Meux в Лондоне, уже экспериментировал с паром более высокого давления в своих попытках сэкономить уголь. Это позволило объединить двигатель и котел в единый блок, компактный и достаточно легкий, чтобы использовать его на мобильных дорожных и железнодорожных локомотивах и паровых судах . [4]
Тревитик был человеком разносторонних талантов, и его деятельность не ограничивалась небольшими приложениями. Тревитик разработал свой большой корнуэльский котел с внутренним дымоходом примерно в 1812 году. Они также использовались при модернизации ряда насосных двигателей Уатта; к этому времени Артур Вольф уже производил двигатели высокого давления, работая на пивоваренном заводе Meux Brewery, стремясь повысить эффективность, тем самым экономя уголь, поскольку он прошел обучение у Джозефа Брамы в искусстве контроля качества, что привело к тому, что он стал главным инженером в Harveys of Hayle в Корнуолле, безусловно, крупнейшем и ведущем производителе паровых двигателей в мире.
Корнуоллский двигатель был разработан в 1810-х годах для откачки шахт в Корнуолле. Он был результатом использования выхлопа двигателя высокого давления для питания конденсационного двигателя. Корнуоллский двигатель отличался относительно высокой эффективностью.
Последним крупным усовершенствованием парового двигателя был двигатель Корлисса . [6] Названный в честь своего изобретателя Джорджа Генри Корлисса , этот стационарный паровой двигатель был представлен миру в 1849 году. Двигатель мог похвастаться рядом желаемых характеристик, включая топливную экономичность (снижение стоимости топлива на треть или более), низкие затраты на техническое обслуживание, на 30% более высокую скорость выработки энергии, высокий тепловой КПД и способность работать при легких, тяжелых или переменных нагрузках, сохраняя при этом высокую скорость и постоянную скорость. [7] [8] [9] [10] Хотя двигатель был в общих чертах основан на существующих паровых двигателях, сохраняя простую конструкцию поршня-маховика, большинство этих особенностей были получены за счет уникальных клапанов двигателя и клапанных шестерен. В отличие от большинства двигателей, использовавшихся в ту эпоху, которые в основном использовали золотниковые шестерни, Корлисс создал свою собственную систему, которая использовала запястную пластину для управления несколькими различными клапанами. Каждый цилиндр был оснащен четырьмя клапанами, с выпускными и впускными клапанами на обоих концах цилиндра. [4] Благодаря точно настроенной серии событий, открывающих и закрывающих эти клапаны, пар впускается и выпускается с точной скоростью, обеспечивая линейное движение поршня. Это обеспечило самую заметную особенность двигателя — автоматический регулируемый механизм отключения. [11] Этот механизм позволил двигателю поддерживать заданную скорость в ответ на изменяющиеся нагрузки без потери эффективности, остановки или повреждения. Используя ряд кулачковых шестерен, которые могли регулировать фазы газораспределения (по сути, действуя как дроссель), регулировались скорость и мощность двигателя . Это оказалось чрезвычайно полезным для большинства применений двигателя. В текстильной промышленности это позволило производить продукцию на гораздо более высоких скоростях, одновременно снижая вероятность обрыва нитей. [8] [12] В металлургии экстремальные и резкие изменения нагрузки, испытываемые в прокатных станах, также были устранены с помощью этой технологии. Эти примеры показывают, что двигатель Корлисса смог привести к гораздо более высоким показателям производства, предотвращая при этом дорогостоящие повреждения оборудования и материалов. Его называли «самым совершенным регулированием скорости». [13]
Корлисс вел подробный учет производства, общей мощности и продаж своих двигателей вплоть до истечения срока действия патента . [13] Он делал это по ряду причин, включая отслеживание тех, кто нарушал патентные права, детали обслуживания и модернизации, и особенно в качестве данных, используемых для продления патента. С этими данными обеспечивается более четкое понимание влияния двигателя. К 1869 году было продано около 1200 двигателей общей мощностью 118 500 лошадиных сил. Еще около 60 000 лошадиных сил использовались двигателями, которые были созданы производителями, нарушающими патент Корлисса, в результате чего общая мощность достигла примерно 180 000 лошадиных сил. [8] Это относительно небольшое количество двигателей производило 15% от общей мощности Соединенных Штатов в 1,2 миллиона лошадиных сил. [14] Средняя мощность всех двигателей Corliss в 1870 году составляла 100 лошадиных сил, в то время как средняя мощность всех паровых двигателей (включая двигатели Corliss) составляла 30. Некоторые очень большие двигатели даже допускали применение мощностью до 1400 лошадиных сил. Многие были убеждены в преимуществах двигателя Corliss, но его принятие было медленным из-за патентной защиты. Когда в 1870 году Corliss было отказано в продлении патента, он стал преобладающей моделью для стационарных двигателей в промышленном секторе . [8] К концу 19-го века двигатель уже оказывал большое влияние на производственный сектор, где он составлял всего 10% двигателей сектора, но производил 46% лошадиных сил. [14] Двигатель также стал образцом эффективности за пределами текстильной промышленности, поскольку он использовался для перекачивания водных путей Потакета , Род-Айленд , в 1878 году и сыграл важную роль в расширении железной дороги , позволяя выполнять очень масштабные операции на прокатных станах. [6] [8] Многие паровые двигатели 19 века были заменены, уничтожены или перепрофилированы, но долговечность двигателя Корлисса очевидна и сегодня в некоторых винокурнях, где они по-прежнему используются в качестве источника энергии. [15]
В середине 1750-х годов паровой двигатель был применен в ограниченных по мощности гидроэнергии отраслях по производству железа, меди и свинца для питания воздуходувных мехов. Эти отрасли были расположены вблизи шахт, некоторые из которых использовали паровые двигатели для откачки шахт. Паровые двигатели были слишком мощными для кожаных мехов, поэтому в 1768 году были разработаны чугунные воздуходувные цилиндры. Паровые доменные печи достигали более высоких температур, что позволяло использовать больше извести в чугунной доменной печи. ( Шлак с высоким содержанием извести не был текучим при ранее используемых температурах.) При достаточном соотношении извести сера из угля или коксового топлива реагирует со шлаком, так что сера не загрязняет железо. Уголь и кокс были более дешевым и распространенным топливом. В результате производство железа значительно возросло в последние десятилетия 18-го века. [16]
Энергия воды , предшествующий источник энергии в мире, продолжала оставаться основным источником энергии даже в период пика популярности паровых двигателей . [17] Однако паровой двигатель обеспечивал множество преимуществ, которые нельзя было реализовать, полагаясь исключительно на энергию воды, что позволило ему быстро стать доминирующим источником энергии в индустриальных странах (увеличившись с 5% до 80% от общей мощности в США с 1838 по 1860 год). [18] В то время как многие считают потенциал увеличения вырабатываемой энергии доминирующим преимуществом (при этом средняя мощность паровых мельниц вырабатывала в четыре раза больше мощности водяных мельниц ), другие отдают предпочтение потенциалу агломерации . [19] [20] Паровые двигатели позволили легко работать, производить, продавать, специализироваться, жизнеспособно расширяться на запад, не беспокоясь о менее обильном наличии водных путей и жить в сообществах, которые не были географически изолированы в непосредственной близости от рек и ручьев. [8] Города и поселки теперь строились вокруг фабрик, где паровые двигатели служили основой для существования многих граждан. Благодаря содействию агломерации людей были созданы местные рынки, которые часто добивались впечатляющего успеха, города быстро росли и в конечном итоге урбанизировались , качество жизни повышалось по мере создания инфраструктуры , более качественные товары могли производиться, поскольку приобретение материалов становилось менее сложным и дорогим, прямая местная конкуренция приводила к более высокой степени специализации, а рабочая сила и капитал были в изобилии. [7] В некоторых округах, где предприятия использовали паровую энергию, рост населения даже увеличивался. [21] Эти паровые города стимулировали рост на местном и национальном уровне, еще раз подтверждая экономическую важность парового двигателя.
Этот период экономического роста, который начался с появления и принятия парохода, был одним из самых больших, когда-либо переживаемых в Соединенных Штатах. Роберт Фултон, Роберт Ливингстон и Генри Шрив внесли большой вклад в представление парохода [22] американской общественности. Около 1815 года пароходы начали заменять баржи и плоскодонные лодки в перевозке грузов по Соединенным Штатам. До появления парохода реки, как правило, использовались только для перевозки грузов с востока на запад и с севера на юг, поскольку бороться с течением было очень сложно, а часто и невозможно. [23] Немоторные лодки и плоты собирались вверх по течению, перевозили свой груз вниз по течению и часто разбирались в конце своего путешествия; их останки использовались для строительства домов и коммерческих зданий. После появления парохода в Соединенных Штатах наблюдался невероятный рост в перевозке товаров и людей, что имело ключевое значение для расширения на запад. До появления парохода путешествие из Нового Орлеана в Луисвилл могло занять от трех до четырех месяцев, в среднем двадцать миль в день. [23] С появлением парохода это время резко сократилось, и поездки длились от двадцати пяти до тридцати пяти дней. Это было особенно выгодно для фермеров, поскольку теперь их урожай можно было перевозить в другие места для продажи.
Пароход также способствовал расширению специализации. Сахар и хлопок отправлялись на север, а такие товары, как птица, зерно и свинина, отправлялись на юг. К сожалению, пароход также способствовал внутренней работорговле. [24]
С появлением парохода возникла необходимость в улучшенной речной системе. Естественная речная система имела особенности, которые либо не были совместимы с путешествием на пароходе, либо были доступны только в определенные месяцы, когда реки были выше. Некоторые препятствия включали пороги, песчаные отмели, мелководье и водопады. Чтобы преодолеть эти естественные препятствия, была построена сеть каналов, шлюзов и плотин. Этот возросший спрос на рабочую силу стимулировал огромный рост рабочих мест вдоль рек. [25]
Экономические выгоды парохода простирались далеко за пределы строительства самих судов и товаров, которые они перевозили. Эти суда напрямую привели к росту угольной и страховой промышленности, а также создали спрос на ремонтные мастерские вдоль рек. [26] Кроме того, спрос на товары в целом увеличился, поскольку пароход сделал транспортировку в новые пункты назначения как широкомасштабной, так и эффективной.
После изобретения парохода и проведения ряда успешных испытаний он был быстро принят на вооружение и привел к еще более быстрым изменениям в способе водного транспорта .
В 1814 году в городе Новый Орлеан было зарегистрировано 21 прибытие парохода, но в течение следующих 20 лет это число резко возросло до более чем 1200. Роль парохода как основного источника транспорта была закреплена. [27] Транспортный сектор пережил огромный рост после применения парового двигателя, что привело к крупным инновациям в каналах , пароходах и железных дорогах . Система пароходов и каналов произвела революцию в торговле Соединенных Штатов. По мере того, как пароходы набирали популярность, рос и энтузиазм по поводу строительства каналов .
В 1816 году в США было всего 100 миль каналов . Однако это необходимо было изменить, поскольку потенциальный рост торговли товарами с востока на запад убедил многих, что каналы являются необходимым связующим звеном между водными путями Миссисипи и Огайо с Великими озерами .
Использование паровых двигателей на железных дорогах оказалось необычайным в том, что теперь можно было доставлять большие объемы товаров и сырья в города и на фабрики. Поезда могли доставлять их в отдаленные места за малую часть стоимости поездки на повозке. Железнодорожные пути, которые уже использовались в шахтах и различных других ситуациях, стали новым средством передвижения после изобретения первого локомотива.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )