Avtoargon.ru

АвтоАргон
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

История изобретения паровых машин

История изобретения паровых машин

История изобретения паровых машин гласит о том, что впервые они были построены Т. Севери, Д. Папеном, Т. Ньюкоменом, И. Ползуновым. У их машин были разные конструкции, но они имели нечто общее – движение поршня осуществлялось посредством попеременного нагрева и охлаждения действующего цилиндра. Такая технология не способствовала быстрой работе машин, а потребление топлива превышало разумные пределы. Но давайте начнем с начала и расскажем все по порядку.

Люди использовали на производстве водяные двигатели до второй половины XVIII века. Но поскольку в то время не было возможности передать силу механических движений водяных колес на значительные расстояния, фабрики, нуждающиеся в этом, строились на берегах водоемов. Это не всегда было удобно, и к тому же эффективность работы таких двигателей обеспечивалась недешевыми подготовительными процессами. Также их мощность была низкой, а работа осуществлялась в зависимости от времени года и была труднорегулируемой. Тогда остро возникла потребность в совершенно новом устройстве, обладающем мощностью, недорогом в эксплуатации, легкоуправляемом и автономном. Изобретение парового двигателя в одночасье решило все эти вопросы.

История изобретения паровых машин уходит корнями далеко в прошлое. Еще во времена античности был сконструирован поршневой водяной насос, технология которого вошла в основу идеи парового двигателя. В XVII — XVIII веках человечество нашло способ производства механической энергии с помощью пара, придумав паровой насос, подающий воду в специальный резервуар, из которого она попадала на колесо, приводя его в движение. Оно заставляло работать производственные машины и механизмы. Вот и получается, что в качестве двигателя все же выступало водяное колесо. Много еще времени понадобилось для создания надежного парового двигателя – более двух столетий.

В 1698 году военный инженер Томас Сэйвери придумал технологию на основе пара для перекачивания воды и осушения шахт, но история изобретения паровых машин на этом не закончилась. Дени Папену в 1674 году впервые удалось построить удачную паровую машину. Вначале он попробовал применить пороховой двигатель, но этот эксперимент не имел большого успеха. Тогда к нему пришла идея заменить порох водой. Его паровая машина вышла в свет в 1698 году (тогда же, когда и изобретение Сэйвери). Принцип работы заключался в нагревании воды до образования пара внутри вертикально закрепленного цилиндра, в котором двигался поршень, который выталкивался вверх. Затем пар охлаждался и конденсировался, а поршень под влиянием атмосферного давления опускался вниз. Такая технология приводила в движение разные механизмы.

Ознакомившись с конструкцией Папена, работавший кузнецом в шахтах Вест Кантри и понимавший важность изобретения хороших насосов для шахт Томас Ньюкомен объединил свои силы с Джоном Калли, стекольщиком и водопроводчиком, и вместе они принялись за усовершенствование модели. Первую их машину установили в Стаффордшире на шахте по добыче угля в 1712 году. Эта технология оказалась столь удачной, что применялась на территории всей Европы больше 50 лет.

В 1775 году история изобретения паровых машин пополнилась новым открытием – Джон Смитон создал новую усовершенствованную модель, которая осушила Кронштадтский док всего за две недели. До этого требовался год на выполнение такой работы.

И. И. Ползунов, изобретатель-механик из России, весной 1763 года разработал проект паровой машины, которая впервые могла приводить в действие любые механизмы и вскоре получила признание.

Следует сказать, что есть еще один изобретатель паровой машины – Джеймс Уатт. Он совершенствовал машину Ньюкомена с 1763 года и, наконец, запатентовал свое детище в 1768 году. Несмотря на это, он долгое время не мог построить машину по своему проекту, но в 1776 году она была готова и успешно прошла испытание. Ее эффективность вдвое превышала возможности устройства Ньюкомена. Первая универсальная паровая машина двойного действия была создана Джеймсом Уаттом в 1782 году. Поскольку двигатель Уатта мог применяться на любой машине, создатели самодвижущих механизмов без промедления воспользовались этой идеей.

История паровых машин запечатлена в музее Пауэрхауз в Сиднее, где стоит одно из первых изобретений Уатта.

ПАРОВАЯ МАШИНА

Один из первых изобретателей парового двигателя — русский механик Иван Ползунов построил свою машину почти целиком из дерева. Двести лет назад это совсем не казалось удивительным. Железо тогда было очень дорого. Его применяли только там, где уж никак нельзя обойтись иначе. В машине Ползунова из железа сделали только котел, в котором кипела вода, и еще два цилиндра, в которые пар из котла впускался по очереди.

Пых-х! Пар заполнял один цилиндр и толкал кверху его поршень. Пых-х! Второй поршень шёл вверх. Так и ходили поршни по очереди: один — вверх, другой— вниз. Их движение передавалось мехам, которые качали воздух в большую печь для плавки металла.

Перед самым пуском своей машины Ползунов умер. Он уже не увидел, как в мае 1766 г. она пошла и работала несколько месяцев. Но постепенно машина разладилась, а починить её было некому. Ведь это была первая, небывалая машина, и никто, кроме изобретателя, не понимал, как и почему она работает. Машину разобрали и выбросили.

Но в те далёкие годы строилось много новых заводов. Для них паровая машина была очень нужна. Особенно много заводов строили тогда в Англии. Поэтому именно английские изобретатели больше всего работали над созданием и усовершенствованием паровой машины. И через 18 лет после смерти Ползунова молодому английскому механику Джеймсу Уатту удалось построить очень хорошую по тем временам машину.

Уатт работал механиком при университете в городе Глазго. Ему приходилось чинить модели первых паровых машин, имевшиеся в университете. Но сколько он ни бился, модели работали плохо. После многих опытов и размышлений Уатт наконец понял, что в них надо улучшить. Машины Уатта стали выпускаться десятками, затем сотнями.

Читать еще:  Генератор из асинхронного двигателя своими руками без переделки

Постепенно паровые машины появились повсюду. Они двигали станки на заводах, откачивали воду из шахт, поднимали на поверхность уголь и руду, вертели жернова мельниц. Паровые машины пришли на корабли и задымили по рекам и морям. Паровые машины встали на колёса и покатились по рельсам.

Сначала паровую машину старались запретить, отменить, разрушить. Неизвестные злоумышленники поджигали заводы и паровые мельницы. Вельможи в завитых париках издавали против паровых машин грозные законы. Попы поднимали против паровой машины тёмный и невежественный народ. С иконами, с пением молитв выходили толпы верующих на рельсы, пытались преградить путь первым паровозам, кричали: «Сгинь, сгинь, нечистая сила!»

Но «нечистая сила» и не думала исчезать. Паровая машина завоёвывала мир.

Сейчас паровой машине уже двести лет. Она устарела и потеряла своё прежнее значение. На заводах место паровых машин заняли электромоторы. На пароходах давно уже ставят новые двигатели: дизели, турбины. На железных дорогах всё меньше остаётся паровозов. Их место занимают тепловозы и электровозы.

Но паровая машина сделала своё дело. Она первая дала человеку небывалую силу, небывалую скорость, небывалую власть над природой. Она прожила большую и славную жизнь. И сегодня мы с благодарностью вспоминаем Ивана Ползунова, Джеймса Уатта и многих других тружеников и изобретателей, известных и неизвестных. Труд и вдохновение этих людей не пропали даром.

Паровая машина

Честь создания паровой машины досталась скромному механику из университета в городе Глазго Джеймсу Уатту (1736 – 1819), который понял то, мимо чего проходили многие инженеры и ученые: 1) паровая рубашка вокруг цилиндра, поддерживающаястенки цилиндра в разогретом состоянии при температуре близкой к температуре поступающего в него пара; 2) конденсация пара в отдельном сосуде – конденсаторе; 3) цилиндр двойного действия; 4) механизм для автоматического парораспределения; 5) преобразование поступательного движения поршня во вращательное движение вала; 6) введение в механизм паровой машины регулятора частоты вращения.

Д.Уаттом было сделано то, что в конечном итоге превратило паровую машину в универсальный промышленный двигатель, способный без непосредственного участия человека превращать тепловую энергию топлива в механическую работу.

Примечание. Джеймс Уатт (James Watt, 1736 — 1819) – великий английский изобретатель, инженер, ученый. В 1769 году получил патент на паровую машину простого действия с конденсатором, в 1782 году получил патент на машину двойного действия. С 1784 г. – член Эдинбургского Королевского общества, с 1785 г. – член Лондонского королевского общества, с 1806 г.- доктор юридических наук, с 1816 г. – член Парижской академии наук.

Принцип действия паровой машины показан на рисунке 4. Работа поршня 1 посредством штока 2, ползуна 3, шатуна 4 и кривошипа 5 передается главному валу 6, несущему маховик 7, который служит для снижения неравномерности вращения вала. Эксцентрик, сидящий на главном валу, с помощью эксцентриковой тяги приводит в движение золотник 8, управляющий впуском пара в полости цилиндра. Пар из цилиндра выпускается в атмосферу или поступает в конденсатор. Для поддержания постоянного числа оборотов вала при изменяющейся нагрузке применяется центробежный регулятор 9, автоматически изменяющий сечение прохода пара, поступающего в цилиндры (дроссельное регулирование), или изменяющий момент отсечки наполнения (количественное регулирование).

Судьба паровой машины — универсального промышленного двигателя была блистательной, она подняла на своих плечах весь XIX век – «век пара», проникла во все отрасли производства, на сухопутный, морской и речной транспорт, произвела настоящую революцию в промышленности и техники, границы и масштабы которой, трудно охарактеризовать в нескольких; словах. Сегодня мы не можем не быть благодарны ей за ее почти двух вековую службу человеку. За этот период мощность паровой машины выросла с 20 до 20000 л.с., коэффициент полезного действия увеличился с 2 до 20%, давление и температура пара достигли 20 МПа и 400 0 С соответственно, число оборотов превысило 1000 оборотов в минуту.

Д.Уатту выпало редкое счастье видеть повсеместное, триумфальное распространение своего главного изобретения жизни. На его памятнике в Вестминстерском аббатстве начертаны слова: «. применив к усовершенствованию паровой машины силу творческого гения, расширил производительность своей страны, увеличил власть человека над природой и занял выдающееся место среди наиболее прославившихся людей науки и истинных благодетелей человечества».

Рисунок 4 – Паровая машина Д.Уатта

Русский историк техники Николай Божерянов писал: «Без преувеличения можно сказать, что все завоевания англичан в Индии меньше обогатили и усилили их, нежели открытия Д.Уатта».

«Бунт» паровых машин

Усилия инженеров, разрабатывавших все более совершенные паровые машины, были направлены, прежде всего, на увеличение их мощности. Простейший путь к достижению этой цели — расширить объем цилиндра, увеличив его диаметр и длину. Но увеличение диаметра приводило к большому просачиванию пара между поршнем и стенкой цилиндра. Тщательное уменьшение зазора приводило к резкому возрастанию трения, что приводило к падению мощности машины. К такому же результату приводило и удлинение поршня. Удлинение самого цилиндра требовало удлинить ход поршня, а значит утяжелить кривошипно-шатунный механизм, что влекло за собой необходимость делать маховик более массивным, ему предстояло протащить через «мертвую точку» и вернуть в исходное положение ставший более массивным поршень.

Борьба за увеличение мощности паровых машин стави­ла перед инженерами все более сложные задачи. Чтобы их решить, казалось выгодным увеличить расход пара, однако при этом возрастал диаметр паропровода, росли размеры и масса регулирующей заслонки. Чтобы при этом управлять машиной, приходилось все более увеличивать массы гру­зов в центробежных регуляторах и таким образом утяже­лять удерживающие их рычаги и муфту. Одновременно инженеры делали машины все более быстроходными, что позволяло им уменьшать и облегчать маховики.

Читать еще:  Гаснет панель приборов при запуске двигателя ваз 2109

Идя этим путем, инженеры одновременно повышали точность изготовления и качество обработки движущихся частей машины и регулятора. Тщательная обработка стенок цилиндра и многочисленных подшипников снижала трение. Однако по мере увеличения мощ­ности паровых машин и улучшения их деталей, все чаще возникали жалобы на их неустойчивую работу. Чтобы поддерживать число оборотов приходилось непрестанно вручную манипулировать заслонкой (и это при том, что на машине был установлен регулятор), и ни­какие усилия инженеров не позволяли отрегулировать машины так, чтобы они действовали так же устойчиво и послушно, как более старые и менее мощные машины, созданные при Д.Уатте.

Подозрение пало, прежде всего, на регулятор Уатта. Обращали на себя внимание два главных недостатка регулятора Уатта: а) регулятор начинает действовать, когда изменение скорости вращения уже произошло (в дальнейшем такой принцип регулирования получил название «принцип регулирования по отклонению»; б) регулятор поддерживает скорость вращения с некоторой погрешностью – на малых нагрузках несколько выше заданной, на больших – ниже (в дальнейшем такое свойство регуляторов получило название «неравномерность регулятора», а сами регуляторы стали называться статическими). Неравномерность можно был уменьшить, переместив опору рычага ближе к измерителю частоты вращения, однако при этом уменьшался момент, развиваемый грузами регулятора, что, в свою очередь, требовало увеличения их массы. И опять возникала парадоксальная ситуация: чем успешнее инженеры устраняли неравномерность регулятора, тем сложнее было его налаживать, тем менее эффективно он действовал, и тем чаще машина выходила из заданного режима.

Десятки тысяч паровых машин «взбунтовались» против своих создателей и владельцев. Инженеры должны были признать свое бессилие. Никто не мог гарантировать, что новый экземпляр машины, изго­товленный в точности по образцу предшествующей, будет работать надежно. Никто, приступая к наладке машины, не был уверен, что ему удастся ее укротить. В 1868 году только в Англии работало примерно 75000 паровых машин, которые были снабжены регуляторами Уатта. Причем большинство из них работало ненадежно. Машины, оборудованные ре­гуляторами других типов (к тому времени появились другие регуляторы, свободные от недостатков, при­сущих регуляторам Уатта), отличались еще меньшей надеж­ностью.

Возникла острая необходимость в создании теории регулирования машин, могущей, ответить на вопросы промышленной практики. Из многих сотен ученых и инженеров, работавших в XIX веке над вопросами теории регулирования машин, нужно выделить трех: 1) английского физика — профессора в Кембридже Джеймса Клерка Максвелла (1831 — 1879); 2) русского инженера — профессора Санкт-Петербургского технологического института Ивана Алексеевича Вышнеградского (1831 — 1895) и 3) словацкого инженера — профессора Цюрихского Политехникума Ауреля Стодолу (1859 — 1942), фундаментальные работы которых создали то, что сейчас называется классической линеаризованной теорией автоматического регулирования (ТАР).

Появление универсального парового двигателя

Революция в промышленности началась в середине XVIII в. в Англии с возникновением и внедрением в промышленное производство технологических машин. Промышленный переворот представлял собой замену ручного, ремесленного и мануфактурного производства, машинным фабрично-заводским.

Рост спроса на машины, строившиеся уже не для каждого конкретного промышленного объекта, а на рынок и ставшие товаром, привел к возникновению машиностроения, новой отрасли промышленного производства. Зарождалось производство средств производства.

Широкое распространение технологических машин сделало совершенно неизбежной вторую фазу промышленного переворота -внедрение в производство универсального двигателя.

Если старые машины (песты, молоты и т.д), получавшие движение от водяных колес, были тихоходными и обладали неравномерным ходом, то новые, особенно прядильные и ткацкие, требовали вращательного движения с большой скоростью. Таким образом, требования к техническим характеристикам двигателя приобрели новые черты: универсальный двигатель должен отдавать работу в виде однонаправленного, непрерывного и равномерного вращательного движения.

В этих условиях появляются конструкции двигателей, пытающиеся удовлетворить назревшие требования производства. В Англии было выдано свыше десятка патентов на универсальные двигатели самых разнообразных систем и конструкций.

Однако первыми практически действующими универсальными паровыми машинами считаются машины, созданные русским изобретателем Иваном Ивановичем Ползуновым и англичанином Джеймсом Уаттом [1].

В машине Ползунова из котла по трубам пар с давлением, немного превышающим атмосферное, поступал поочередно в два цилиндра с поршнями. Для улучшения уплотнения поршни заливали водой. Посредством тяг с цепями движение поршней передавалось мехам трех медеплавильных печей.

Постройка машины Ползунова была закончена в августе 1765 года. Она имела высоту 11 метров, емкость котла 7 м , высоту цилиндров 2,8 метра, мощность 29 кВт.

Машина Ползунова создавала непрерывное усилие и была первой универсальной машиной, которую можно было применять для приведения в движение любых заводских механизмов.

Уатт начал свою работу в 1763 году почти одновременно с Ползуновым, но с иным подходом к проблеме двигателя и в другой обстановке. Ползунов начинал с общеэнергетической постановки задачи о полной замене зависящих от местных условий гидросиловых установок универсальным тепловым двигателем. Уатт начинал с частной задачи -повышения экономичности двигателя Ньюкомена в связи с порученной ему как механику университета в Глазго (Шотландия) работой по починке модели водоотливной паровой установки.

Окончательное промышленное завершение двигатель Уатта получил в 1784 году. В паровой машине Уатта два цилиндра были заменены одним закрытым. Пар поступал попеременно по обе стороны поршня, толкая его то в одну, то в другую сторону. В такой машине двойного действия отработавший пар конденсировался не в цилиндре, а в отдельном от него сосуде — конденсаторе. Постоянство числа оборотов маховика поддерживалось центробежным регулятором скорости.

Главным недостатком первых паровых машин был низкий, не превышавший 9%, КПД [1].

Специализация паросиловых установок и дальнейшее развитие

Паровых машин

Расширение сферы применения парового двигателя требовало все более широкой универсальности. Началась специализация тепловых силовых установок. Продолжали совершенствоваться водоподъемные и шахтные паровые установки. Развитие металлургического производства стимулировало совершенствование воздуходувных установок. Появились центробежные воздуходувки с быстроходными паровыми машинами. В металлургии начали применять прокатные паросиловые установки и паровые молоты. Новое решение было найдено в 1840 году Дж. Несмитом, объединившим паровой двигатель с молотом.

Читать еще:  Что такое капот двигателя шкода фабия

Самостоятельное направление составили локомобили — передвижные паросиловые установки, история которых начинается в 1765 году, когда английский строитель Дж. Смитон разработал передвижную установку [1]. Однако заметное распространение локомобили получили только с середины XIX века.

После 1800 года, когда кончился десятилетний срок привилегий фирмы «Уатт и Болтон», доставивший компаньонам громадные капиталы, другие изобретатели получили наконец свободу действий. Почти сразу были реализованы не применявшиеся Уаттом прогрессивные методы: высокое давление и двойное расширение. Отказ от балансира и использование многократного расширения пара в нескольких цилиндрах привели к созданию новых конструктивных форм паровых двигателей. Двигатели двухкратного расширения стали оформляться в виде двух цилиндров: высокого давления и низкого давления, либо как компаунд-машины с углом заклинивания между кривошипами 90°, либо как тандем-машины, в которых оба поршня насажены на общий шток и работают на один кривошип [2].

Большое значение для повышения КПД паровых двигателей имело использование с середины XIX века перегретого пара, на эффект которого указал французский ученый Г.А. Гирн. Переход к использованию перегретого пара в цилиндрах паровых машин потребовал длительной работы по конструированию цилиндрических золотников и клапанных распределительных механизмов, освоению технологии получения минеральных смазочных масел, способных выдерживать высокую температуру, и по конструированию новых типов уплотнений, в частности с металлической набивкой, чтобы постепенно перейти от насыщенного пара к перегретому с температурой 200 — 300 градусов Цельсия.

Последний крупный шаг в развитии паровых поршневых двигателей -изобретение прямоточной паровой машины, сделанное немецким профессором Штумпфом в 1908 году.

Во второй половине XIX века в основном сложились все конструктивные формы паровых поршневых двигателей.

Новое направление в развитии паровых машин возникло при их использовании в качестве двигателей электрогенераторов электрических станций с 80 — 90 годов XIX века.

К первичному двигателю электрического генератора предъявлялось требование большой скорости, высокой равномерности вращательного движения и непрерывно возрастающей мощности.

Технические возможности поршневого парового двигателя — паровой машины — являвшегося универсальным двигателем промышленности и транспорта в течение всего XIX века уже не соответствовали потребностям, возникшим в конце XIX века в связи со строительством электростанций. Они могли быть удовлетворены только после создания нового теплового двигателя — паровой турбины.

Паровой котел

В первых паровых котлах применялся пар атмосферного давления. Прототипами паровых котлов послужила конструкция пищеварительных котлов, откуда и возник сохранившийся до наших дней термин «котел».

Рост мощности паровых двигателей вызвал к жизни и поныне существующую тенденцию котлостроения: увеличение

паропроизводительности — количества пара, производимого котлом в час.

Для достижения этой цели устанавливали по два-три котла для питания одного цилиндра. В частности, в 1778 году по проекту английского машиностроителя Д. Смитона была сооружена трехкотельная установка для откачивания воды из Кронштадских морских доков [1].

Однако если рост единичной мощности паросиловых установок требовал повышения паропроизводительности котлоагрегатов, то для увеличения КПД требовалось повышение давления пара, для чего были нужны более прочные котлы. Так возникла вторая и поныне действующая тенденция котлостроения: увеличение давления. Уже к концу XIX века давление в котлах достигало 13-15 атмосфер [2].

Требование повышения давления противоречило стремлениям увеличить паропроизводительность котлоагрегатов. Шар — наилучшая геометрическая форма сосуда, выдерживающая большое внутреннее давление, дает минимальную поверхность при данном объеме, а для увеличения паропроизводительности нужна большая поверхность. Наиболее приемлемым оказалось использование цилиндра — следующей за шаром геометрической формы в отношении прочности. Цилиндр позволяет сколь угодно увеличивать его поверхность за счет увеличения длины. В 1801 году О. ЭЬанс в США построил цилиндрический котел с цилиндрической внутренней топкой с чрезвычайно высоким для того времени давлением порядка 10 атмосфер. В 1824 году СВ. Литвинов в Барнауле разработал проект оригинальной паросиловой установки с прямоточным котлоагрегатом, состоящим из оребренных труб.

Для увеличения котельного давления и паропроизводительности потребовалось уменьшение диаметра цилиндра (прочность) и увеличение его длины (производительность): котел превращался в трубу. Существовали два способа дробления котлоагрегатов : дробились газовый тракт котла или водяное пространство. Так определились два типа котлов: жаротрубные и водотрубные.

Во второй половине XIX века были разработаны достаточно надежные парогенераторы, позволяющие иметь паропроизводительность до сотен тонн пара в час. Паровой котел представлял собой комбинацию стальных тонкостенных труб небольшого диаметра. Эти трубы при толщине стенки в 3-4 мм позволяют выдерживать очень высокое давление [2]. Высокая производительность достигается за счет суммарной длины труб. К середине XIX века сложился конструктивный тип парового котла с пучком прямых, слегка наклоненных труб, ввальцованных в плоские стенки двух камер — так называемый водотрубный котел. К концу XIX века появился вертикальный водотрубный котел, имеющий вид двух цилиндрических барабанов, соединенных вертикальным пучком труб. Эти котлы с их барабанами выдерживали более высокие давления.

В 1896 году на Всероссийской ярмарке в Нижнем Новгороде демонстрировался котел В.Г.Шухова. Оригинальный разборный котел Шухова был транспортабелен, имел невысокую стоимость и малую металлоемкость. Шухов впервые предложил топочный экран, применяющийся в наше время. т£Л №№0№lfo 9-1* #5^^^

К концу XIX века водотрубные паровые котлы позволяли получить поверхность нагрева свыше 500 м и производительность свыше 20 тонн пара в час, которая в середине XX века возросла в 10 раз.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector