Паровая машина

Изобретение и развитие

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться.

Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, турецким астрономом, физиком и инженером XVI векаТакиюддином аш-Шами. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колёса.

Подобную машину предложил в 1629 годуитальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.

Паровая машина была создана испанским изобретателем Иеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент англичанина Т. Севери (см. ниже).
Принцип действия и применение паровых машин были описаны также в 1655 году англичанином Эдвардом Сомерсетом;

в 1663 году он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в XIX веке). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной.

Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-х годов в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём.

Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 году создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив.

Система работала только как демонстрационная модель: для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла, проложив таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена.

Однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил. Папен также проектировал лодку, приводимую в движение колесом с реактивной силой в комбинации концепций Таки ад-Дина и Севери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.

Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Севери в 1698 году.

На своё устройство Севери в том же году получил патент. Это был паровой насос без поршня, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы насоса иногда взрывались.

В 1712 году английский кузнец Томас Ньюкомен продемонстрировал свой «атмосферный (вакуумный) двигатель». Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором Ньюкомен применил цилиндр с поршнем и существенно снизил рабочее давление пара.

Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Именно насос Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение.

В 1720 году немецкий физик Якоб Лейпольд изобрёл двухцилиндровый паровой двигатель высокого давления, в котором рабочий ход совершается не низким давлением вакуума, образующимся после впрыска воды в цилиндр с горячим водяным паром, как в вакуумных двигателях, а высоким давлением горячего водяного пара.

В 1763 году механиком И. И. Ползуновым была спроектирована первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина для приведения в действие воздуходувныхмехов на барнаульских Колывано-Воскресенских заводах, которая была построена в 1764 году.

В 1765 году Джеймс Уатт, для повышения КПД вакуумного двигателя Ньюкомена, сделал отдельный конденсатор. Двигатель всё ещё оставался вакуумным.

В 1781 году Джеймс Уатт запатентовал вакуумную паровую машину с кривошипно-шатунным механизмом, которая производила непрерывное вращательное движение вала (в отличие от поступательного движения в вакуумном двигателе водоподъёмного насоса Ньюкомена).

Двигатель всё ещё оставался вакуумным, но вакуумный двигатель Уатта с кривошипно-шатунным механизмом, мощностью 10 лошадиных сил, стало возможным, при наличии каменного угля и воды, устанавливать и использовать в любом месте для любой цели. С вакуумным двигателем Уатта принято связывать начало промышленной революции в Англии.

Примечательно, что первой известной автоматической системой управления была система регулирования скорости пара, установленная на паровом двигателе Уатта в 1775 году; почти век спустя Джеймс Клерк Максвелл описал первую математическую модель автоматизации.

Дальнейшим повышением эффективности парового двигателя было применение пара высокого давления американцем Оливером Эвансом и англичанином Ричардом Тревитиком.

В 1786 году Эванс попытался было запатентовать обычный паровой автомобиль, в котором приводом служила паровая машина высокого давления, но патентное управление отказало Эвансу, посчитав его идею нелепой фантазией. Позже Эванс изготовил в общей сложности около полусотни подобных машин, большая часть которых использовалась для привода насосных установок.

Тревитик, инициатор создания и применения стационарных машин, работающих при высоких давлениях (получил в 1800 году патент на «машину высокого давления»), освоил на практике цилиндрические паровые (так называемые «корнваллийские») котлы (1815). С 1797 года строил модели паровых повозок, а в 1801 года начал строить оригиналы повозок, последняя из которых прошла успешные испытания в Корнуэлле и Лондоне (1802—1803).

В 1801 году Ричард Тревитик построил первый в истории паровоз «Puffing Devil», затем в 1802 году паровоз «Coalbrookdale» для одноимённой угольной компании.

Тревитик успешно строил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм, или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям.

С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования.

В 1769 году французский изобретатель Николя-Жозеф Кюньо продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем.

Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавэр между Филадельфией (штат Пенсильвания)

и Бёрлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7—8 узлов. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в городе Мертир-Тидвил в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком.

В 1824 году французский учёный и инженер Сади Карно в своём сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» впервые описал цикл работы термодинамической системы, позже названный его именем[3][4].

С развитием паровозо- и пароходостроения прогресс паровой машины получил новый толчок. В течение XIX века усилиями многих талантливых инженеров паровая машина была значительно усовершенствована. Были разработаны конструкции котлов и различных вспомогательных систем (механизмов парораспределения, топливоподачи и т. п.), ставшие впоследствии классическими.

Появились многоступенчатые, компаундные и тандемные типы, интересные промышленные модели. Практический КПД паровой машины был значительно повышен. Требования сухопутного транспорта и мелкого судостроения содействовали появлению компактных моделей с высокой удельной мощностью.

Во второй половине века появились типы компоновок и систем, использованные затем в двигателях внутреннего сгорания: V-образные и звездообразные компоновки без крейцкопфа, блок-цилиндры с закрытым картером, тарельчатые клапаны с приводом от кулачкового вала и т. д. Параллельно шла разработка роторных альтернатив: паровой турбины, различных моделей коловратных двигателей.

К началу XX века была уже хорошо разработана теория и практика паровых машин, сохранившаяся до наших дней почти без изменений. Поршневые паровые машины безраздельно властвовали на железнодорожном и морском транспорте, паровые турбины всё чаще находили практическое применение на крупных морских судах. Подавляющее большинство коловратных (роторно-поршневых) типов было опробовано и по тем или иным причинам отвергнуто.

В первые десятилетия XX века отмечается бум транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания, значительно пошатнувший авторитет паровой машины. Она уступает более лёгким и компактным конкурентам. К 1930-м годам бензиновые и дизельные двигатели почти полностью вытесняют паровую машину из лёгкого сухопутного транспорта, решительно вторгаются в области железнодорожного транспорта и судостроения. Считается, что паровая машина уже доживает свой век, безнадёжно устарела.

В 1930-е годы вокруг неё снова намечается некоторое оживление. Появляются новые материалы: нержавеющие стали, способные выдержать высокие температуры и давления, а также лёгкие и прочные алюминиевые сплавы. Это позволяет поднять давление пара до величин 30—100 атм, что делает паровую машину замкнутого цикла сопоставимой по габаритам, эффективности и цене с двигателем внутреннего сгорания.

Внедрение водотрубной системы делает котёл компактным и безопасным. Налаживается серийное производство паровых легковых и грузовых автомобилей, тракторов, автобусов и даже танков и самолётов. Появляются новые идеи: внедрение звездообразных паровых машин в ступицы колёс, в задний мост и т. д.

Принимаются во внимание ценные качества паровой машины: высокий крутящий момент, отличная проходимость по бездорожью, нетребовательность к топливу, долговечность, бесшумность, плавность хода, отсутствие необходимости поддерживать обороты на холостом ходу и т. п. Паровые машины устанавливаются даже на лимузины[5].

Однако попытка реанимации идеи паровой машины не удалась: отчасти из-за начавшейся Второй мировой войны, отчасти из-за сформировавшегося у потребителя стереотипа устарелости, громоздкости, грязности и опасности паровой машины, интерес к этим опытам ослабевает.

Тем не менее идея её не забыта и некоторые экспериментальные работы, и даже попытки серийного производства паровых машин высокого давления, ведутся энтузиастами и в наши дни. Большую ценность представляют так же действующие модели исторических паровых машин, изготавливаемые любителями.

Следует отметить, что распространение парового двигателя шло постепенно: механизмы, использующие водную и ветряную энергию, ещё долго конкурировали с паровыми машинами. В частности, до 1870 года в Соединённых Штатах большинство фабрик использовали энергию водяных турбин, а не паровых двигателей[6].

Точно так же постепенно она выходила из употребления. Так, последние паровозы работали на линиях ещё в конце XX века, а некоторые сохраняются работоспособными до наших дней, несмотря даже на то, что КПД паровозной машины один из самых низких. До сих пор именно паровозы и пароходы окутаны неким ореолом романтики. В некоторых странах они и сегодня используются в туристических целях.

https://www.youtube.com/watch?v=zGXqNG-w4xI

Что касается паровых турбин, то они заняли прочные позиции в энергетике и крупном транспортном машиностроении. Однако их КПД сильно зависит от размеров, поэтому паровые турбины малой мощности экономически нецелесообразны и не находят применения в качестве основной силовой установки.

Примечания