Конструкция парового двигателя Ватта стала синонимом паровых двигателей, и прошло много лет, прежде чем существенно новые конструкции начали заменять базовую конструкцию Уатта.
Первые паровые машины , представленные Томасом Ньюкоменом в 1712 году, имели «атмосферную» конструкцию. В конце рабочего такта вес объекта, перемещаемого двигателем, подтягивал поршень к верхней части цилиндра, когда в него поступал пар. Затем цилиндр охлаждался струей воды, в результате чего пар конденсировался, образуя в цилиндре частичный вакуум . 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, когда пар может войти в цилиндр без немедленной конденсации. Когда цилиндр нагрелся настолько, что наполнился паром, можно было начать следующий рабочий такт.
Ватт понял, что тепло, необходимое для нагрева цилиндра, можно сэкономить, добавив отдельный конденсационный цилиндр. После того, как силовой цилиндр был заполнен паром, во вторичном цилиндре открывался клапан, позволяющий пару течь в него и конденсироваться, в результате чего пар вытягивался из главного цилиндра, вызывая рабочий такт. Конденсационный цилиндр имел водяное охлаждение для поддержания конденсации пара. В конце рабочего хода клапан закрывался, чтобы силовой цилиндр мог наполниться паром, когда поршень двигался вверх. Результатом стал тот же цикл, что и в конструкции Ньюкомена, но без какого-либо охлаждения силового цилиндра, который был немедленно готов к следующему такту.
Ватт работал над конструкцией в течение нескольких лет, внедряя конденсатор и внося улучшения практически во все части конструкции. Примечательно, что Ватт провел длительную серию испытаний способов герметизации поршня в цилиндре, что значительно снизило утечку во время рабочего такта и предотвратило потерю мощности. Все эти изменения привели к созданию более надежной конструкции, в которой для производства того же количества энергии использовалось вдвое меньше угля. [1]
Новый дизайн был представлен на коммерческом рынке в 1776 году, первый экземпляр был продан металлургическому заводу Carron Company . Уатт продолжал работать над усовершенствованием двигателя и в 1781 году представил систему, использующую солнечную и планетарную передачу для преобразования линейного движения двигателей во вращательное. Это сделало его полезным не только в исходной роли насосной станции, но и в качестве прямой замены там, где ранее использовалось водяное колесо . Это был ключевой момент промышленной революции, поскольку источники энергии теперь можно было располагать где угодно, вместо того, чтобы, как раньше, нуждаться в подходящем источнике воды и топографии . Партнер Уатта Мэтью Бултон начал разработку множества машин, использующих эту вращательную энергию, создав первую современную промышленно развитую фабрику Soho Foundry , которая, в свою очередь, производила новые конструкции паровых двигателей. Ранние двигатели Уатта были похожи на оригинальные конструкции Ньюкомена тем, что в них использовался пар низкого давления, а вся мощность вырабатывалась за счет атмосферного давления. Когда в начале 1800-х годов другие компании представили паровые двигатели высокого давления, Уотт не хотел следовать этому примеру из соображений безопасности. [2] Желая улучшить характеристики своих двигателей, Уотт начал рассматривать возможность использования пара под высоким давлением, 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 позволило поршневым штокам отдельных цилиндров двигаться по прямым линиям, удерживая поршень в цилиндре, в то время как конец балансира перемещался по дуге, что в некоторой степени аналогично крейцкопф в более поздних паровых машинах.
В 1698 году английский конструктор-механик Томас Савери изобрел насосное устройство, которое использовало пар для забора воды непосредственно из колодца с помощью вакуума, создаваемого конденсацией пара. Устройство также было предложено для осушения шахт , но оно могло поднимать жидкость только примерно на 25 футов, а это означает, что оно должно было быть расположено на этом расстоянии от осушенного пола шахты. Поскольку шахты становились глубже, это часто становилось непрактичным. Он также потреблял большое количество топлива по сравнению с более поздними двигателями. [3]
Решение проблемы осушения глубоких шахт нашел Томас Ньюкомен , разработавший «атмосферный» двигатель , также работавший по вакуумному принципу. В нем использовался 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 такта пар мог попасть в цилиндр под поршнем. Когда поршень поднимался внутри цилиндра, вытянутый вверх противовесом, он втягивал пар при атмосферном давлении. В верхней части хода паровой клапан закрывался, и в цилиндр на короткое время впрыскивалась холодная вода для 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 толкая 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, приводился в действие насос, находящийся глубоко в шахте, прикрепленный к противоположному концу балки с помощью тросов и цепей. Насос толкал, а не тянул столб воды вверх, поэтому он мог поднимать воду на любое расстояние. Как только поршень оказался внизу, цикл повторился. [3]
Двигатель Ньюкомена был мощнее двигателя Савери. Впервые воду удалось поднять с глубины более 100 ярдов (91 м). [4] Первый экземпляр 1712 года смог заменить упряжку из 500 лошадей, которая использовалась для откачки шахты. Семьдесят пять насосных двигателей Newcomen были установлены на шахтах Великобритании, Франции, Голландии, Швеции и России. В последующие пятьдесят лет в конструкцию двигателя было внесено лишь несколько небольших изменений. Это был большой прогресс.
Хотя двигатели Ньюкомена приносили практическую пользу, они были неэффективны с точки зрения использования энергии для их питания. Система попеременной подачи в цилиндр струй пара, затем холодной воды подразумевала, что стенки цилиндра попеременно то нагревались, то охлаждались при каждом ходе. Каждый введенный заряд пара будет продолжать конденсироваться до тех пор, пока цилиндр снова не достигнет рабочей температуры. Таким образом, при каждом ударе часть потенциала пара терялась.
В 1763 году Джеймс Уатт работал приборостроителем в Университете Глазго, когда ему поручили ремонт модели двигателя Ньюкомена, и он заметил, насколько он неэффективен. [5]
В 1765 году Уатту пришла в голову идея 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 все время оставался холодным и имел давление ниже атмосферного , а цилиндр все время оставался горячим.
Пар из котла отводился в цилиндр под поршнем . Когда поршень достигал верха цилиндра, впускной клапан пара закрывался и открывался клапан, контролирующий проход в конденсатор. Конденсатор, находившийся под более низким давлением, втягивал пар из цилиндра в конденсатор, где он охлаждался и конденсировался из водяного пара в жидкую воду, поддерживая в конденсаторе частичный вакуум, который сообщался с пространством цилиндра соединительным проходом. Внешнее атмосферное давление затем толкало поршень вниз по цилиндру.
Разделение цилиндра и конденсатора исключило потери тепла, возникающие при конденсации пара в рабочем цилиндре двигателя Ньюкомена. Это дало двигателю Ватта большую эффективность, чем двигатель Ньюкомена, сократив количество потребляемого угля, выполняя при этом тот же объем работы, что и двигатель Ньюкомена.
В конструкции Уотта холодная вода подавалась 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 брызг, поглощал скрытую теплоту пара и определялся как семикратный объем конденсированного пара. Затем конденсат и впрыскиваемая вода 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 отсасывался из конденсатора и направлялся в горячую скважину с помощью вакуумного насоса, что также способствовало откачке пара из-под силового цилиндра. Еще теплый конденсат использовался в качестве питательной воды для котла.
Следующим усовершенствованием конструкции Ньюкомена, предложенным Уоттом, было герметизировать верхнюю часть цилиндра и окружить его рубашкой. Пар пропускался через рубашку перед попаданием под поршень, сохраняя поршень и цилиндр теплыми и предотвращая образование внутри них конденсата. Вторым усовершенствованием стало использование расширения пара против вакуума на другой стороне поршня. Во время хода подача пара была прекращена, и пар расширился, преодолевая вакуум на другой стороне. Это повысило эффективность двигателя, но также создало переменный крутящий момент на валу, что было нежелательно для многих применений, в частности для перекачки. Поэтому Ватт ограничил расширение соотношением 1:2 (т.е. подача пара была отключена на половине хода). Это увеличило теоретический КПД с 6,4% до 10,6% при лишь небольшом изменении давления поршня. [6] Ватт не использовал пар высокого давления из соображений безопасности. [2] : 85
Эти улучшения привели к созданию полностью разработанной версии 1776, которая фактически пошла в производство. [7]
Отдельный конденсатор продемонстрировал огромный потенциал для улучшения двигателя Ньюкомена, но Ватта все еще обескураживали, казалось бы, непреодолимые проблемы, прежде чем можно было усовершенствовать двигатель, имеющийся на рынке. И только после вступления в партнерство с Мэтью Бултоном это стало реальностью. Ватт рассказал Бултону о своих идеях по улучшению двигателя, и Бултон, заядлый предприниматель, согласился профинансировать разработку испытательного двигателя в Сохо , недалеко от Бирмингема . Наконец Уатт получил доступ к оборудованию и практическому опыту мастеров, которые вскоре смогли запустить первый двигатель. В полностью доработанном состоянии он потреблял примерно на 75% меньше топлива, чем аналогичный вариант Newcomen.
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 работал в следующем месяце. Тем летом работал и третий двигатель в Стратфорд-ле-Боу на востоке Лондона. [8]
Ватт в течение нескольких лет безуспешно пытался 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 расточный станок, в котором вал, удерживающий режущий инструмент, поддерживался с обоих концов и проходил через цилиндр, в отличие от использовавшихся тогда консольных буров. Бултон писал в 1776 году, что «мистер Уилкинсон почти без ошибок рассверлил нам несколько цилиндров; цилиндр диаметром 50 дюймов, который мы установили в Типтоне, ни в какой части не уступает по толщине старому шиллингу». [9]
Практика Бултона и Уотта заключалась в том, чтобы помогать владельцам шахт и другим клиентам строить двигатели, предоставляя людей для их монтажа и некоторые специализированные детали. Однако основная прибыль от патента была получена за счет взимания с владельцев двигателей лицензионного сбора в зависимости от стоимости сэкономленного ими топлива. Более высокая топливная экономичность их двигателей означала, что они были наиболее привлекательны в районах, где топливо было дорогим, особенно в Корнуолле , для которого в 1777 году были заказаны три двигателя для рудников Уил-Бизи , Тинг-Танг и Чейсуотер . [10]
Первые двигатели Ватта были двигателями атмосферного давления, как и двигатель Ньюкомена, но с конденсацией, происходящей отдельно от цилиндра. Привод двигателей с использованием пара низкого давления и частичного вакуума открыл возможность разработки поршневых двигателей . [11] Конструкция клапанов может попеременно впускать пар низкого давления в цилиндр, а затем соединять его с конденсатором. Следовательно, направление рабочего хода может быть изменено на противоположное, что облегчает 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, а это означало, что мощность можно было передавать только в одном направлении - путем вытягивания. Это было эффективно в двигателях, которые использовались для перекачки воды, но двойное действие поршня означало, что он мог как толкать, так и тянуть. Это было невозможно, пока балка и стержень были соединены цепью. Кроме того, было невозможно соединить шток поршня герметичного цилиндра непосредственно с балкой, поскольку, хотя шток двигался вертикально по прямой, балка поворачивалась в своем центре, причем каждая сторона вписывала дугу. Чтобы преодолеть противоречивые действия стержня и поршня, Уотт разработал параллельное движение . В этом устройстве использовалась четырехрычажная связь в сочетании с пантографом , чтобы обеспечить требуемое прямолинейное движение гораздо дешевле, чем если бы он использовал связь ползункового типа. Он очень гордился своим решением.
Соединение балки с валом поршня с помощью средства, которое прикладывало силу поочередно в обоих направлениях, также означало, что можно было использовать движение балки для вращения колеса. Простейшим решением преобразования действия луча во вращательное движение было соединение луча с колесом с помощью кривошипа , но поскольку у другой стороны были патентные права на использование кривошипа, Уотту пришлось придумать другое решение. [13] Он принял планетарную систему солнечной и планетарной передачи, предложенную сотрудником Уильямом Мердоком , только позже, после истечения срока действия патентных прав, вернувшись к более знакомому кривошипу, который сегодня можно увидеть на большинстве двигателей. [14] Основное колесо, прикрепленное к кривошипу, было большим и тяжелым и служило маховиком, который , однажды придя в движение, за счет своего импульса поддерживал постоянную мощность и сглаживал действие попеременных ходов. К его вращающемуся центральному валу можно было прикрепить ремни и шестерни для привода самых разных механизмов.
Поскольку фабричное оборудование должно было работать с постоянной скоростью, Уотт соединил клапан парового регулятора с центробежным регулятором , который он адаптировал на основе тех, которые используются для автоматического регулирования скорости ветряных мельниц. [15] Центрифуга не была настоящим регулятором скорости , поскольку она не могла 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 .
Уотт также занимался фундаментальными исследованиями функционирования парового двигателя. Его самым известным измерительным устройством, используемым до сих пор, является индикатор Ватта , включающий манометр для измерения давления пара внутри цилиндра в зависимости от положения поршня, что позволяет построить диаграмму, представляющую давление пара в зависимости от его давления. объем на протяжении всего цикла.
Самый старый сохранившийся двигатель Ватта — «Олд Бесс» 1777 года, сейчас находится в Музее науки в Лондоне . Самый старый работающий двигатель в мире — двигатель Сметвика , введенный в эксплуатацию в мае 1779 года и ныне находящийся в «Мозговом центре» в Бирмингеме (ранее в ныне несуществующем Музее науки и промышленности, Бирмингем ). Самый старый двигатель, который все еще находится в своем первоначальном машинном отделении и все еще способен выполнять работу, для которой он был установлен, - это двигатель Boulton and Watt 1812 года на насосной станции Крофтон в Уилтшире . Он использовался для перекачки воды для каналов Кеннет и Эйвон ; в определенные выходные в течение года современные насосы отключаются, а две паровые машины в Крофтоне по-прежнему выполняют эту функцию. Самый старый из существующих роторных паровых двигателей, Двигатель Уитбреда (с 1785 года, третий когда-либо построенный роторный двигатель), находится в Музее электростанции в Сиднее, Австралия. Двигатель Бултона-Ватта 1788 года можно найти в Музее науки в Лондоне , [17] а двигатель 1817 года , ранее использовавшийся на металлургическом заводе Нетертона М.В. Грейзбрука, теперь украшает Дартмутский цирк , островок безопасности в начале автомагистрали A38. М) автомагистраль в Бирмингеме.
В музее Генри Форда в Дирборне, штат Мичиган, хранится копия ротационного двигателя мощностью 1788 Вт. Это полномасштабная действующая модель двигателя Бултона-Ватта. Американский промышленник Генри Форд заказал копию двигателя английскому производителю Чарльзу Саммерфилду в 1932 году. [18] В музее также хранится оригинальный двигатель с атмосферным насосом Boulton and Watt, первоначально использовавшийся для перекачки каналов в Бирмингеме, [19], показанный ниже, и на рисунке ниже. использовался на месте на насосной станции Бойер-стрит [20] с 1796 по 1854 год, а затем был перевезен в Дирборн в 1929 году.
Еще один хранится на заводе Fumel во Франции.
В 1880-х годах компания Hathorn Davey and Co/Leeds произвела атмосферный двигатель мощностью 1 л.с./125 об/мин с внешним конденсатором, но без расширения пара. Утверждалось, что это, вероятно, был последний произведенный коммерческий атмосферный двигатель. Будучи атмосферным двигателем, он не имел котла под давлением. Он был предназначен для малого бизнеса. [21]
Двигатель расширения Уатта обычно рассматривается как представляющий только исторический интерес. Однако есть некоторые недавние разработки, которые могут привести к возрождению этой технологии. Сегодня в промышленности образуется огромное количество отработанного пара и отработанного тепла с температурой от 100 до 150 °C. Кроме того, солнечные тепловые коллекторы, источники геотермальной энергии и реакторы на биомассе производят тепло в этом температурном диапазоне. Существуют технологии использования этой энергии, в частности органический цикл Ренкина . По сути, это паровые турбины, в которых используется не вода, 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 герметизирована.
Двигатель расширения может предложить здесь значительные преимущества, в частности, для более низких номинальных мощностей от 2 до 100 кВт: при степени расширения 1:5 теоретический КПД достигает 15%, что находится в диапазоне систем ORC. В качестве рабочей жидкости в расширительном двигателе используется вода, которая является простой, дешевой, нетоксичной, негорючей и неагрессивной. Он работает при давлении, близком к атмосферному и ниже него, поэтому герметизация не является проблемой. И это простая машина, подразумевающая экономическую эффективность. Исследователи из Университета Саутгемптона (Великобритания) в настоящее время разрабатывают современную версию двигателя Ватта для выработки энергии из отработанного пара и отходящего тепла. Они усовершенствовали теорию, продемонстрировав, что возможна теоретическая эффективность до 17,4% (и фактическая эффективность до 11%). [22]
Чтобы продемонстрировать принцип, 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 снимке изображена модель, построенная и испытанная в 2016 году. [23] В настоящее время готовится проект по созданию и испытаниям увеличенного двигателя мощностью 2 кВт. [24]
СМИ, связанные с паровыми двигателями Ватта, на Викискладе?
