История паровых машин

Паровые машины представляют собой двигатель внутреннего сгорания, преобразующий энергию пара в механическую энергию, которая образуется в результате воздействия потока пара на поршень. Он под действием силы давления начинает совершать возвратно-поступательные движения, которые преобразуются во вращательные движения коленчатого вала.

Первое упоминание о паровых двигателях связывают с Героном Александрийским величайшим учёным своего времени, инженером, изобретшем паровую турбину. В своём трактате «Механика» («Pneumatica») он рассматривал проблему передачи движения. Герон в 1 веке н.э. описывал опыт, при котором пар, поступающий из резервуара с кипящей водой, попадал в полость шара, заставляя его вращаться. Однако первая настоящая паровая турбина была сконструирована гораздо позже, в 16 веке турецким физиком Такиюддином аль-Асади. Он доказал, что лопасть будет вращать вертело, если на него воздействовать струёй пара.

Первый прототип парового котла был спроектирован Жеронимо де Аянцем-и-Бомонтом в 1606 году. До наших дней сохранилась рукопись, в которой имеется изображение котла с кипящей водой. Образованный в результате кипения пар поступает в патрубок в соседний сосуд с холодной водой, которая под воздействием силы пара выталкивается по другому патрубку наверх. Это открытие Аянца-и-Бомонта стало прототипом конверторного парового отопления.

Следующий изобретатель, Саломон де Косс, рассуждал в своём трактату об упругости пара. В чём-то он дублировал работы предшественников.

В 1929 году итальянский инженер Джованни Бранка создал первую версию парового двигателя. Он с помощью пара добился поочерёдного поднятия и опускания пестов в ступке, используя для вращения цилиндрическое устройство. С помощью пара он привёл в движение кривошипно-латунный механизм.

В 1655 году английский изобретатель Эдвард Сомерсет создал машину, которая под давлением пара поднимала воду на верхние этажи своего замка. До наших дней не сохранилась ни сама машина, ни рукописи с рисунками. Однако профессор Миллингтон, изучавший труды Сомерсета, предположил, как выглядела бы его машина. В кирпичной кладке находился котёл с топкой, рядом сооружён бассейн, в котором находятся две ёмкости, погружённые в воду на три четверти. От них кверху отходят трубки. Внизу в ёмкостях есть отверстия с клапанами. Когда в бассейн наливается вода, ёмкости тоже наполняются через приоткрытые клапаны. Как только вода закипает, внутри ёмкостей увеличивается давление, поднимаясь по трубкам вверх. Там она попадает в сосуд. К сосуду был приделан кран, из которого шла вода. Если перестать нагревать бассейн, то давление падало, и вода вновь попадала в ёмкость.

Существовали и другие эскизы машины Сомерсета. Считается, что он позаимствовал идею у Саломона де Косса, с которым был знаком лично. Нельзя достоверно сказать, как выглядел его аппарат, однако, несомненно, изобретатель стал знаковой фигурой в истории паровых машин. Скачок в развитии паровых машин произошёл во второй половине 17 века. Промышленность стремительно развивалась, древесина перестала обеспечивать потребности. В качестве топлива стал использоваться каменный уголь. Главной проблемой рудников было быстрое заполнение угольных шахт водой. Из-за этого проходилось бросать едва разработанные шахты, не успев добыть оттуда уголь. Чтобы не искать новые рудники, а продолжать пользоваться уже имеющимися, были изобретены механизмы с паровыми двигателями для откачки воды.

В 1690 году французский изобретатель Дени Папен создал паровой двигатель, который работал за счёт выделения энергии при нагревании воды и конденсата пара. Он нагревал в сосуде цилиндрической формы воду, и за счёт давления пара поршень внутри цилиндра поднимался вверх. При охлаждении пар превращался в конденсат, давление падало, и поршень опускался вниз. Чтобы поршень в цилиндре двигался всё время, нужно было отладить манипуляции нагревом и охлаждением воды. В 1705 году Папен изобрёл ещё один паровой двигатель, который за счёт поршня поднимал воду наверх. Дени Папен пытался получить патенты на свои изобретения, но его изобретения не были признаны. К тому же уже существовали изобретения Севери и Ньюкомена. Несмотря на то, что Папен умер обесславленным и непризнанным, он по праву считается изобретателем парового цилиндра, который стал основой парового двигателя.

Успехом пользовались изобретения, помогающие откачивать воду из шахт. В 1699 году Томас Севери изобрёл паровой насос для откачивания воды. Это не был паровой двигатель, потому что в нём не было поршня. Машина Севери была маломощной, работала прерывисто и потребляла много топлива. Вскоре появились поршневые машины, и об изобретении Севери забыли.

Идея аппарата Сомерсета легла в основу изобретения Томаса Ньюкомена. Натолкнула его на мысль о создании паровой машины работа на рудниках. Он занимался кузнечеством, чинил насосы, работающие на рудниках. Ньюкомен наблюдал, как тяжело было приводить насосы в движение при помощи человеческой силы, и решил усовершенствовать процесс. Томас взял в помощники кузнеца, взял на вооружение идеи более ранних изобретений. С помощью пара, который вырабатывал котёл с кипящей водой, он привёл поршневой насос в движение. За один цикл поднятия штанги насоса откачивалась целая порция воды. Томас Ньюкомен работал над своей паровой машиной более 10 лет, пока не добился равномерной работы. Это позволило использовать механизм Ньюкомена на протяжении 50 лет в работе на рудниках.

В 1720 году Якобом Леопольдом была изобретена двухцилиндровая паровая машина. Она состояла из двух цилиндров со свинцовыми поршнями. Они опускались за счёт давления пара, который образовывался от нагретой воды. Между цилиндрами находился кран, благодаря чему пар в один цилиндр впускался, а из другого выпускался. Сам Якоб машину только смоделировал, но не построил.

Создателем первой в мире двухцилиндровой машины стал русский изобретатель Иван Ползунов. Он усовершенствовал изобретение Ньюкомена, задействовав вместо одного два цилиндра, и предложил использовать машину для раздувания мехов на металлургических заводах. Ещё одни инноваторством была автоматическая подача воды и пара в цилиндры.

В 1765 году Джеймс Уатт получил задание усовершенствовать машину Ньюкомена. Он добавил изолированную камеру для охлаждения пара, назвав её конденсатором. Благодаря конденсатору удалось увеличить КПД машины. Он запатентовал действующую модель, но массу машину не смог создать за неимением средств. Позже горнозаводчик Джон Робак построил большую модель машины Уатта и запатентовал её. Но вскоре Робак обанкротился, машина была разобрана.

Но Робак оставил машину Уатту, перевезя её на завод Мэттью Болтона, где Уатт делал на ней эксперименты. Благодаря этому вскоре была сконструирована первая паровая машина двойного действия. Теперь пар попадал одновременно в обе полости цилиндра, стенки которого было теплоизолированы. КПД оставался очень низким (до 2%). Тем не менее, изобретением Уатта-Болтона пользовались почти 25 лет, и она принесла колоссальную прибыль изобретателям.

Для усовершенствования возвратно-поступательные движения нужно было превратить во вращательные, для чего колесо стало использоваться в качестве маховика. Теперь вместо цепи использовалась жёсткая полоса, а на балансире крепился зубчатый сектор. Вращательный момент осуществлялся с помощью кривошипного механизма. После длительных усовершенствований был изобретён аппарат, в котором пар попеременно попадал то в один, то в другой цилиндр. Мощность подачи пара регулировалась клапаном. Это помогало машине не перегреваться, если она слишком сильно разгонялась. Ещё одним преимуществом изобретения было то, что оно устанавливалось не только на насосы, но и на другие механизмы. В 1784 году Уатт получил патент на универсальный двигатель. Он назвал его планетным движением.

В конце жизни Уатт писал о том, что усовершенствовать больше, чем придумано на сегодняшний день, машину невозможно, и что он больше не может сделать никаких открытий в паровых двигателях. Уатт так до конца и не понял, какую огромную роль его изобретение сыграло в машиностроении. В его изобретении поршень перемещался в двигателе за счёт пара. Благодаря этому изобретению мощность можно было увеличивать не за счёт увеличения габаритов двигателя, а за счёт увеличения давления. Появились предпосылки для создания парохода, а, позже, был изобретён паровоз. Вскоре началась техническая революция, которая перевернула мир с ног на голову. Наступила новая эпоха в развитии человечества.

Т.о. закончился первый этап в развитии паровых двигателей. Следующий этап был уже связан с увеличением производительности за счёт увеличения давления пара.