Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья посвящена истории создания поршневого парового двигателя. О параллельной разработке двигателей турбинного типа см. Паровая турбина .
Основная статья: Паровоз
Паровой насос Savery 1698 года - первое коммерчески успешное паровое устройство, построенное Томасом Савери.

Первым зарегистрированным рудиментарным паровым двигателем был эолипил, описанный Героном Александрийским в Римском Египте I века . [1] Несколько паросиловых устройства были позднее эксперименты с или предложены, например, Таки аль-Дин «с паровым гнездом , в паровой турбине в 16-го века османского Египта , и Томаса Savery » паровой с насосом в 17 веке в Англии. В 1712 году, Ньюкомен «S атмосферный двигательстал первым коммерчески успешным двигателем, работающим по принципу поршня и цилиндра, который был основным типом паровых двигателей, использовавшихся до начала 20 века. Паровая машина использовалась для откачки воды из угольных шахт.

Во время промышленной революции , паровые двигатели начали заменять воду и энергию ветра, и в конечном итоге стали доминирующим источником власти в конце 19 - го века , а остальное так в первые десятилетия 20 - го века, когда более эффективная паровая турбина и внутреннее сгорание двигатель привел к быстрой замене паровых машин. Паровая турбина стала наиболее распространенным способом , с помощью которого приводятся в движение электрические генераторы. [2] Ведутся исследования практических аспектов возрождения поршневого парового двигателя как основы для новой волны передовых паровых технологий .

Прекурсоры [ править ]

Раннее использование энергии пара [ править ]

Смотрите также: Aeolipile и Steam jack
Эолипил .

Самый ранний известный элементарный паровой двигатель и реакционная паровая турбина , эолипил , описан математиком и инженером по имени Герон Александрийский (Heron) в римском Египте 1-го века , как записано в его рукописи Spiritalia seu Pneumatica . [3] [4]Пар, выходящий из сопел по касательной, заставлял вращающийся шар вращаться. Его термический КПД был низким. Это говорит о том, что преобразование давления пара в механическое движение было известно в Римском Египте в I веке. Херон также изобрел машину, которая использовала воздух, нагретый в огне алтаря, для вытеснения некоторого количества воды из закрытого сосуда. Вес воды был создан для того, чтобы тянуть за скрытую веревку для управления дверями храма. [4] [5] Некоторые историки объединили два изобретения, чтобы ошибочно утверждать, что эолипил был способен на полезную работу. [ необходима цитата ]

По словам Уильяма Мальмсберийского , в 1125 году в Реймсе находилась церковь, в которой был орган, работающий на воздухе, выходящем из сжатия «нагретой водой», по-видимому, спроектированный и построенный профессором Гербертусом. [4] [6]

Среди документов Леонардо да Винчи, датируемых концом 15 века, есть проект паровой пушки под названием Architonnerre , которая работает за счет внезапного притока горячей воды в запечатанную раскаленную пушку. [7]

Элементарная ударная паровая турбина была описана в 1551 году Таки ад-Дином , философом , астрономом и инженером из Османского Египта 16-го века , который описал метод вращения вертела с помощью струи пара, воздействующей на вращающиеся лопатки по периферии. колесо. Подобное устройство для вращения вертела было позже описано Джоном Уилкинсом в 1648 году. [8] Эти устройства тогда назывались «мельницами», но теперь известны как паровые домкраты . Другой подобный рудиментарным паровой турбины показан Giovanni Бранка , итальянскийИнженер в 1629 году за вращение цилиндрического спускового механизма, который поочередно поднимал и выпускал пару пестиков, работающих в ступках. [9] Поток пара в этих первых паровых турбинах, однако, не был концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях. Это привело бы к огромной трате энергии, поэтому они никогда серьезно не рассматривались для промышленного использования.

В 1605 году французский математик Флоренс Риво в своем трактате об артиллерии написал о своем открытии, что вода, если ее удержать в виде бомбы и нагреть, взорвёт снаряды. [10]

В 1606 году испанец Херонимо де Аянц-и-Бомонт продемонстрировал и получил патент на паровой водяной насос. Насос успешно использовался для осушения затопленных шахт Гуадалканала, Испания . [11]

Разработка коммерческого парового двигателя [ править ]

«Открытия, которые, когда Томас Ньюкомен собрал вместе в 1712 году, привели к созданию паровой машины, были:» [12]

  • Концепция вакуума (то есть снижение давления ниже окружающего)
  • Понятие давления
  • Приемы создания вакуума
  • Средство генерации пара
  • Поршень и цилиндр

В 1643 году Евангелиста Торричелли провела эксперименты с всасывающими водяными насосами, чтобы проверить их пределы, которые составляли около 32 футов (атмосферное давление составляет 32,9 футов или 10,03 метра. Давление водяного пара снижает теоретическую высоту подъема). Он разработал эксперимент, используя трубку, наполненную ртутью и перевернутую в чашу с ртутью ( барометр ), и наблюдал пустое пространство над столбиком ртути, которое, как он предполагал, не содержало ничего, то есть вакуума. [13]

Под влиянием Торричелли Отто фон Герике изобрел вакуумный насос, модифицировав воздушный насос, используемый для создания давления в пневматическом пистолете . Герике устроил демонстрацию в 1654 году в Магдебурге, Германия, где он был мэром. Две медные полусферы соединяли вместе и откачивали воздух. Грузы, прикрепленные к полусферам, не могли развести их, пока не открывался воздушный клапан. Эксперимент был повторен в 1656 году с использованием двух команд по 8 лошадей в каждой, которые не могли разделить полушария Магдебурга . [13]

Гаспар Шотт был первым, кто описал эксперимент с полушарием в своей книге «Механика гидравлико-пневматика» (1657). [13]

Прочитав книгу Шотта, Роберт Бойль построил улучшенный вакуумный насос и провел соответствующие эксперименты. [13]

Денис Папен заинтересовался использованием вакуума для создания движущей силы во время работы с Христианом Гюйгенсом и Готфридом Лейбницем в Париже в 1663 году. Папен работал на Роберта Бойля с 1676 по 1679 год, опубликовав отчет о своей работе в « Продолжении новых экспериментов» (1680) и представил Королевское общество в 1689 году. С 1690 года Папен начал экспериментировать с поршнем для выработки энергии с помощью пара, создав модели паровых машин. Он экспериментировал с паровыми двигателями атмосферного и давления, опубликовав свои результаты в 1707 г. [13]

В 1663 году Эдвард Сомерсет, 2-й маркиз Вустерский, опубликовал книгу из 100 изобретений, в которых описывался метод подъема воды между этажами, использующий принцип, аналогичный принципу перколятора для кофе . Его система была первой, которая отделяла котел (нагретый ствол пушки) от насосного действия. Воду из цистерны напускали в усиленную бочку, а затем открывали вентиль для впуска пара из отдельного котла. Давление на поверхности воды поднималось по трубе. [14] Он установил свое паровое устройство на стене Великой башни в замке Раглан.для подачи воды через градирню. Канавки в стене, где был установлен двигатель, можно было увидеть еще в 19 веке. Однако никто не был готов рисковать деньгами ради столь революционной концепции, и без сторонников машина оставалась неразвитой. [13] [15]

Сэмюэл Морланд , математик и изобретатель, который работал над насосами, оставил в Управлении по распоряжению Воксхолла заметки о конструкции парового насоса, которые прочитал Томас Савери . В 1698 году Савери построил паровой насос под названием «Друг шахтера». Он использовал как вакуум, так и давление. Они использовались для обслуживания малой мощности в течение ряда лет. [13]

Томас Ньюкомен был торговцем, торговавшим чугунными изделиями. Двигатель Ньюкомена был основан на конструкции поршня и цилиндра, предложенной Папеном. В двигателе Ньюкомена пар конденсировался водой, распыляемой внутри цилиндра, в результате чего поршень двигался под атмосферным давлением. Первый двигатель Ньюкомена установлен для откачки в шахте в 1712 году в замке Дадли в Стаффордшире. [13]

Цилиндры [ править ]

Дизайн Дениса Папина поршнево-цилиндрового двигателя, 1680 год.

Дени Папен (22 августа 1647 - ок. 1712) был французским физиком, математиком и изобретателем, наиболее известным своим новаторским изобретением парового варочного котла , предшественника скороварки. В середине 1670-х годов Папен сотрудничал с голландским физиком Кристианом Гюйгенсом над двигателем, который вытеснял воздух из цилиндра путем взрыва пороха.внутри него. Понимая неполноту вакуума, создаваемого этим способом, и переезжая в Англию в 1680 году, Папен изобрел версию того же цилиндра, в которой создавался более полный вакуум от кипящей воды, а затем пара конденсировалась; таким образом он мог поднимать тяжести, прикрепляя конец поршня к веревке, проходящей через шкив. В качестве демонстрационного образца система работала, но для того, чтобы повторить процесс, пришлось разобрать и собрать весь аппарат. Папен быстро понял, что для автоматического цикла пар должен вырабатываться отдельно в котле; однако дальше этого проекта он не продвинулся. Папин также разработал весельную лодку, приводимую в движение струей, играющей на мельничном колесе, в сочетании Taqi al Din и Savery.s концепции, и ему также приписывают ряд важных устройств, таких какпредохранительный клапан . Годы исследований Папена проблем использования пара сыграли ключевую роль в разработке первых успешных промышленных двигателей, которые вскоре последовали за его смертью.

Паровой насос Savery [ править ]

Основная статья: Томас Савери

Первой паровой машиной, которая была применена в промышленности, была «пожарная машина» или «Друг шахтера», разработанная Томасом Савери в 1698 году. Это был беспоршневой паровой насос, подобный тому, который был разработан Вустером. Savery внес два ключевых вклада, которые значительно улучшили практичность дизайна. Во-первых, чтобы обеспечить подачу воды под двигатель, он использовал конденсированный пар для создания частичного вакуума в насосном резервуаре (цилиндр в примере Вустера) и использовал его для подъема воды вверх. Во-вторых, чтобы быстро охладить пар для создания вакуума, он обливал резервуар холодной водой.

Для работы требовалось несколько клапанов; когда резервуар был пуст в начале цикла, открывался клапан для впуска пара. Клапан был закрыт для герметизации резервуара, а клапан охлаждающей воды открылся для конденсации пара и создания частичного вакуума. Был открыт подающий клапан, в результате чего вода поднималась вверх в резервуар, и типичный двигатель мог поднимать воду на высоту до 20 футов. [16] Он был закрыт, а паровой клапан снова открылся, создавая давление над водой и закачивая ее вверх, как в конструкции Вустера. Цикл по существу удвоил расстояние, на которое вода могла быть перекачана при любом заданном давлении пара, а в производственных примерах вода поднималась примерно на 40 футов. [16]

Двигатель Savery решил проблему, которая только недавно стала серьезной; подъем воды из шахт на юге Англии, когда они достигли большей глубины. Двигатель Savery был несколько менее эффективен, чем двигатель Ньюкомена, но это компенсировалось тем фактом, что отдельный насос, используемый двигателем Ньюкомена, был неэффективен, давая двум двигателям примерно одинаковую эффективность - 6 миллионов футов фунтов на бушель угля (менее 1 %). [17] Двигатель Savery также не был очень безопасным, потому что часть его цикла требовала пара под давлением, подаваемого котлом, а с учетом технологий того периода сосуд высокого давления не мог быть достаточно прочным и поэтому был подвержен взрыву. [18] Взрыв одного из его насосов в Брод-Уотерс (около Веднсбери)), около 1705 года, вероятно, знаменует конец попыток эксплуатации его изобретения. [19]

Двигатель Savery был дешевле, чем двигатель Newcomen, и производился в меньших размерах. [20] Некоторые строители производили улучшенные версии двигателя Savery до конца 18 века. [17] Bento de Moura Portugal , FRS , представил гениальное усовершенствование конструкции Savery, «чтобы сделать ее способной работать самостоятельно», как описано Джоном Смитоном в «Философских трудах», опубликованных в 1751 году. [21]

Атмосферные конденсационные двигатели [ править ]

"Атмосферный" двигатель Newcomen [ править ]

Гравировка двигателя Ньюкомена. Похоже, это скопировано с рисунка из работы Дезагелье 1744 года: «Курс экспериментальной философии», который, как полагают, был перевернутой копией гравюры Генри Бейтона, датированной 1717 годом, которая может представлять собой, вероятно, второй двигатель Ньюкомена, построенный около 1714 года. на шахте Грифф, Уорикшир. [22]

Можно сказать, что Томас Ньюкомен со своим « атмосферным двигателем » 1712 года объединил воедино большинство основных элементов, установленных Папеном, для разработки первого практического парового двигателя, на который мог быть коммерческий спрос. Это имело форму двигателя с возвратно-поступательной балкой, установленного на уровне поверхности, приводящего в движение последовательность насосов на одном конце балки. Двигатель, прикрепленный цепями с другого конца балки, работал по атмосферному или вакуумному принципу. [23]

В дизайне Ньюкомена использованы некоторые элементы более ранних концепций. Как и в конструкции Savery, двигатель Ньюкомена использовал пар, охлаждаемый водой, для создания вакуума. Однако, в отличие от насоса Савери, Ньюкомен использовал вакуум, чтобы тянуть поршень, вместо того, чтобы тянуть воду напрямую. Верхний конец цилиндра был открыт для атмосферного давления, и когда образовывался вакуум, атмосферное давление над поршнем толкало его вниз в цилиндр. Поршень смазывался и закупоривался струей воды из той же цистерны, в которую подавалась охлаждающая вода. Далее, чтобы улучшить охлаждающий эффект, он распылял воду прямо в цилиндр.

Поршень был прикреплен цепью к большой поворотной балке. Когда поршень тянул балку, другая сторона балки тянулась вверх. Этот конец был прикреплен к стержню, который тянул за серию обычных ручек насоса в шахте. В конце этого рабочего хода паровой клапан снова открывался, и вес штоков насоса опускал балку, поднимая поршень и снова втягивая пар в цилиндр.

Использование поршня и балки позволило двигателю Ньюкомена приводить в действие насосы на разных уровнях по всей шахте, а также исключить необходимость в паре высокого давления. Вся система была изолирована от одного здания на поверхности. Несмотря на то, что эти двигатели неэффективны и потребляют очень много угля (по сравнению с более поздними двигателями), они поднимают гораздо большие объемы воды и с большей глубины, чем это было возможно ранее. [18] К 1735 году в Англии было установлено более 100 двигателей Newcomen, и, по оценкам, к 1800 году их работало около 2000 (включая версии Watt).

Джон Смитон внес множество улучшений в двигатель Ньюкомена, особенно в уплотнения, и, улучшив их, смог почти утроить их эффективность. Он также предпочитал использовать колеса вместо балок для передачи мощности от цилиндра, что сделало его двигатели более компактными. Смитон был первым, кто разработал строгую теорию работы парового двигателя. Он работал в обратном направлении от предполагаемой роли, чтобы рассчитать количество энергии , которое потребуется для выполнения задачи, размер и скорость цилиндра, который будет обеспечивать его, размер котла, необходимого для его подачи, и количество топлива, которое он будет потреблять. . Они были разработаны эмпирически после изучения десятков двигателей Ньюкомена в Корнуолле и Ньюкасле и создания собственного экспериментального двигателя в своем доме в Осторпе.в 1770 году. К тому времени, когда двигатель Watt был представлен всего несколько лет спустя, Смитон построил десятки все более мощных двигателей мощностью 100 л.с. [24]

Отдельный конденсатор Ватта [ править ]

Ранний качающий двигатель Ватта.

Работая в Университете Глазго в качестве мастера и мастера по ремонту инструментов в 1759 году, Джеймс Ватт познакомился с силой пара профессором Джоном Робисоном . Очарованный, Ватт начал читать все, что мог, по этой теме и независимо разработал концепцию скрытого тепла , только недавно опубликованную Джозефом Блэком в том же университете. Когда Ватт узнал, что университету принадлежит небольшая работающая модель двигателя Ньюкомена, он потребовал, чтобы он вернулся из Лондона, где его безуспешно ремонтировали. Ватт отремонтировал машину, но обнаружил, что она почти не работала даже после полного ремонта.

После работы над дизайном Ватт пришел к выводу, что 80% пара, используемого двигателем, расходуется впустую. Вместо того чтобы создавать движущую силу, она использовалась для нагрева цилиндра. В конструкции Newcomen каждый рабочий ход запускался струей холодной воды, которая не только конденсировала пар, но и охлаждала стенки цилиндра. Это тепло необходимо было заменить до того, как цилиндр снова будет принимать пар. В двигателе Ньюкомена тепло подавалось только паром, поэтому, когда паровой клапан снова открывался, подавляющее большинство конденсировалось на холодных стенках, как только оно попало в цилиндр. Потребовалось значительное количество времени и пара, прежде чем цилиндр снова нагрелся и пар начал его заполнять.

Ватт решил проблему распыления воды, переместив холодную воду в другой цилиндр, расположенный рядом с силовым цилиндром. После завершения такта впуска между ними открывался клапан, и любой пар, попавший в цилиндр, конденсировался внутри этого холодного цилиндра. Это создало бы вакуум, который втягивал бы больше пара в цилиндр, и так до тех пор, пока пар в основном не конденсируется. Затем клапан был закрыт, и работа главного цилиндра продолжалась, как в обычном двигателе Ньюкомена. Поскольку силовой цилиндр все время оставался при рабочей температуре, система была готова к следующему ходу, как только поршень был вытянут обратно вверх. Поддержание температуры осуществлялось рубашкой вокруг цилиндра, куда поступал пар. Ватт произвел рабочую модель в 1765 году.

Убежденный, что это большой успех, Ватт вступил в партнерские отношения с целью предоставления венчурного капитала.пока работал над дизайном. Не довольствуясь этим единственным улучшением, Ватт неустанно работал над рядом других улучшений практически для каждой части двигателя. Ватт дополнительно усовершенствовал систему, добавив небольшой вакуумный насос для откачки пара из цилиндра в конденсатор, что еще больше уменьшило продолжительность цикла. Более радикальным изменением конструкции Newcomen было закрытие верхней части цилиндра и введение пара низкого давления над поршнем. Теперь мощность была обусловлена ​​не разницей атмосферного давления и вакуума, а давлением пара и вакуума, несколько более высокой величиной. При обратном ходе вверх верхний пар передавался по трубе на нижнюю часть поршня, готовый к конденсации для хода вниз. Уплотнение поршня двигателя Ньюкоменабыла достигнута за счет поддержания небольшого количества воды на его верхней стороне. Это было невозможно в двигателе Ватта из-за наличия пара. Ватт приложил значительные усилия, чтобы найти работающее уплотнение, которое в конечном итоге было получено с помощью смеси жира и масла. Шток поршня также прошел через сальник на верхней крышке цилиндра, уплотненный аналогичным образом. [25]

Проблема с уплотнением поршня возникла из-за невозможности изготовления цилиндра достаточно круглой формы. Ватт пытался высверлить цилиндры из чугуна, но они оказались слишком некруглыми. Ватт был вынужден использовать чугунный цилиндр. [26] Следующая цитата взята из Роу (1916):

«Когда [Джон] Смитон впервые увидел двигатель, он сообщил Инженерному обществу, что« не существует ни инструментов, ни рабочих, которые могли бы изготовить такую ​​сложную машину с достаточной точностью »» [26].

Ватт наконец счел конструкцию достаточно хорошей для выпуска в 1774 году, и двигатель Ватта был выпущен на рынок. Поскольку части конструкции можно было легко приспособить к существующим двигателям Newcomen, не было необходимости строить полностью новый двигатель на шахтах. Вместо этого Ватт и его деловой партнер Мэтью Бултон передали лицензию на усовершенствование операторам двигателей, взяв с них часть сэкономленных денег за счет снижения затрат на топливо. Дизайн оказался чрезвычайно успешным, и была создана компания Boulton and Watt, чтобы лицензировать дизайн и помочь новым производителям в создании двигателей. Позже они откроют Soho Foundry для производства собственных двигателей.

В 1774 году Джон Уилкинсон изобрел сверлильный станок с валом, удерживающим буровой инструмент, поддерживаемым с обоих концов и проходящим через цилиндр, в отличие от использовавшихся тогда консольно-расточных станков. С помощью этой машины он смог успешно расточить цилиндр для первого коммерческого двигателя Боултона и Ватта в 1776 году [26].

Ватт никогда не переставал улучшать свои проекты. Это дополнительно улучшило скорость рабочего цикла, внедрило регуляторы, автоматические клапаны, поршни двойного действия, различные механизмы отбора мощности и многие другие улучшения. Технология Ватта позволила широко использовать в коммерческих целях стационарные паровые двигатели. [27]

Хамфри Гейнсборо создал модель конденсационного парового двигателя в 1760-х годах, которую он показал Ричарду Ловеллу Эджворту , члену Лунного общества . Гейнсборо считал, что Ватт использовал свои идеи для изобретения; [28] однако Джеймс Ватт не был членом Лунного общества в то время, и его многочисленные отчеты, объясняющие последовательность мыслительных процессов, ведущих к окончательному замыслу, опровергают эту историю.

Мощность по-прежнему ограничивалась низким давлением, рабочим объемом цилиндра, скоростью сгорания и испарения, а также емкостью конденсатора. Максимальный теоретический КПД ограничивался относительно низким перепадом температур по обе стороны от поршня; это означало, что для того, чтобы двигатель Ватта обеспечивал полезную мощность, первые серийные двигатели должны были быть очень большими и, следовательно, были дорогими в сборке и установке.

Watt двойного действия и вращательные двигатели [ править ]

Дополнительная информация: Двигатель с вращающейся балкой

Ватт разработал двигатель двойного действия, в котором пар перемещал поршень в обоих направлениях, тем самым увеличивая скорость и эффективность двигателя. Принцип двойного действия также значительно увеличил мощность двигателя данного физического размера. [29] [30]

Компания Boulton & Watt разработала поршневой двигатель роторного типа . В отличие от двигателя Newcomen, двигатель Watt мог работать достаточно плавно, чтобы быть подключенным к ведущему валу - через солнечную и планетарную шестерни - для обеспечения вращательной мощности вместе с цилиндрами конденсации двойного действия. Самый ранний экземпляр был построен как демонстрационный образец и был установлен на фабрике Боултона для работы станков для притирки (полировки) пуговиц и т.п. По этой причине он всегда был известен как Lap Engine . [31] [32] В ранних паровых двигателях поршень обычно соединялся штоком с уравновешенной балкой, а не непосредственно с маховиком, поэтому эти двигатели известны как балочные .

Ранние паровые машины не обеспечивали достаточно постоянной скорости для критических операций, таких как прядение хлопка. Для управления скоростью двигатель использовался для перекачивания воды для водяного колеса, которое приводило в действие механизмы. [33] [34]

Двигатели высокого давления [ править ]

По мере продвижения 18-го века требовалось более высокое давление; Этому сильно сопротивлялся Ватт, который использовал монополию, которую дал ему патент, чтобы помешать другим создавать двигатели высокого давления и использовать их в транспортных средствах. Он не доверял современной технологии котлов, их конструкции и прочности используемых материалов.

Важными преимуществами двигателей высокого давления были:

  1. Их можно было сделать намного меньше, чем раньше, для заданной выходной мощности. Таким образом, появилась возможность разработать паровые двигатели, которые были бы небольшими и достаточно мощными, чтобы приводить в движение себя и другие объекты. В результате паровая энергия для транспорта теперь стала практичным явлением в виде кораблей и наземных транспортных средств, которые произвели революцию в грузовом бизнесе, путешествиях, военной стратегии и, по сути, во всех аспектах жизни общества.
  2. Из-за своего меньшего размера они были намного дешевле.
  3. Они не требовали значительных количеств охлаждающей воды конденсатора, необходимой для атмосферных двигателей.
  4. Они могут быть разработаны для работы на более высоких скоростях, что сделает их более подходящими для привода механизмов.

Недостатками были:

  1. В диапазоне низкого давления они были менее эффективны, чем конденсационные двигатели, особенно если пар не использовался широко.
  2. Они были более подвержены взрывам котлов.

Основное различие между принципами работы паровых двигателей высокого и низкого давления - это источник силы, перемещающей поршень. В двигателях Ньюкомена и Уатта, это конденсация водяного пара , который создает большую часть разности давлений, в результате чего атмосферное давление (Newcomen) и пар низкого давления, редко превышает 7 давления в котле фунтов на квадратный дюйм, [35] плюс конденсатора вакуума [ 36] (Ватт), чтобы переместить поршень. В двигателе высокого давления большая часть разницы давлений обеспечивается паром высокого давления из котла; Сторона низкого давления поршня может находиться под атмосферным давлением или подключена к давлению конденсатора. Диаграмма индикатора Ньюкомена, почти все ниже атмосферной линии, почти 200 лет спустя увидят возрождение с цилиндром низкого давления двигателей тройного расширения, составляющим около 20% мощности двигателя, опять же почти полностью ниже атмосферной линии. [37]

Первым известным сторонником «сильного пара» был Якоб Леупольд в его схеме двигателя, который появился в энциклопедических трудах примерно с 1725 года. Различные проекты паровых лодок и транспортных средств также появлялись в течение столетия, одним из самых многообещающих был Николя-Жозеф Кугно. тот, кто продемонстрировал свой «фардьер» (паровоз) в 1769 году. Хотя рабочее давление, используемое для этого транспортного средства, неизвестно, небольшой размер котла давал недостаточную производительность пара, чтобы позволить фардье продвинуться более чем на несколько сотен метров. за один раз, прежде чем остановиться, чтобы поднять пар. Были предложены другие проекты и модели, но, как и в случае с моделью Уильяма Мердока 1784 года, многие из них были заблокированы Бултоном и Ваттом.

Это не применялось в США, и в 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, выполнял регулярные коммерческие перевозки вдоль реки Делавэр между Филадельфией, штат Пенсильвания, и Берлингтоном, штат Нью-Джерси, на борту которого находилось до 30 пассажиров. Эта лодка обычно могла развивать скорость от 7 до 8 миль в час и преодолевала более 2 000 миль (3 200 км) за короткий срок службы. Пароход Fitch не имел коммерческого успеха, так как на этом маршруте были относительно хорошие дороги для вагонов. В 1802 году Уильям Симингтон построил практичный пароход, а в 1807 году Роберт Фултон использовал паровой двигатель Ватта для привода первого коммерчески успешного парохода . [ необходима цитата ]

Оливер Эванс, в свою очередь, был сторонником «сильного пара», который он применял в лодочных двигателях и стационарных устройствах. Он был пионером цилиндрических котлов; однако котлы Эванса действительно претерпели несколько серьезных взрывов котлов, которые, как правило, усиливали сомнения Ватта. Он основал Pittsburgh Steam Engine Company в 1811 году в Питтсбурге , штат Пенсильвания. [38] Компания представила паровые машины высокого давления для торговли речными судами в водоразделе Миссисипи .

Первый паровой двигатель высокого давления был изобретен в 1800 году Ричардом Тревитиком . [39]

Важность повышения давления пара (из термодинамическойточки зрения) заключается в том, что он достигает более высокой температуры. Таким образом, любой двигатель, использующий пар высокого давления, работает при более высокой температуре и перепаде давления, чем это возможно с вакуумным двигателем низкого давления. Таким образом, двигатель высокого давления стал основой для дальнейшего развития поршневой паровой техники. Тем не менее, примерно в 1800 году «высокое давление» составило то, что сегодня считается очень низким давлением, то есть 40-50 фунтов на квадратный дюйм (276-345 кПа), причем дело в том, что рассматриваемый двигатель высокого давления не имел конденсации. , приводимый исключительно в действие расширяющей силой пара, и как только этот пар выполнил работу, он обычно выпускался при давлении выше атмосферного. Подача выхлопного пара в дымовую трубу может быть использована для создания вытяжной тяги через колосниковую решетку и, таким образом, увеличения скорости горения.следовательно, создается больше тепла в печи меньшего размера за счет создания противодавления на выпускной стороне поршня.

21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе был продемонстрирован первый самоходный железнодорожный паровоз или паровоз, построенный Ричардом Тревитиком . [40]

Корнуоллский двигатель и компаундирование [ править ]

Основные статьи: Корнуолл паровой двигатель и составной двигатель
Качающий двигатель Trevithick (система Корнуолла).

Примерно в 1811 году Ричарду Тревитику потребовалось обновить насосный двигатель Ватта, чтобы приспособить его к одному из его новых больших цилиндрических котлов Корнуолла . Когда Тревитик уехал в Южную Америку в 1816 году, его улучшения продолжил Уильям Симс . Параллельно Артур Вульф разработал составной двигатель с двумя цилиндрами, так что пар расширялся в цилиндре высокого давления, а затем выпускался в цилиндр низкого давления. Эффективность была дополнительно улучшена Самуэлем Гроузом , который изолировал котел, двигатель и трубы. [41]

Давление пара над поршнем было увеличено до 40  фунтов на квадратный дюйм (0,28  МПа ) или даже 50  фунтов на квадратный дюйм (0,34  МПа ) и теперь обеспечивало большую часть мощности для хода вниз; в то же время была улучшена конденсация. Это значительно повысило эффективность, и в течение 19 века продолжали строиться новые двигатели системы Корнуолла (часто известные как двигатели Корнуолла ). Старые двигатели Watt были обновлены, чтобы соответствовать.

Освоение этих усовершенствований Корнуолла было медленным в областях текстильной промышленности, где уголь был дешевым, из-за более высоких капитальных затрат на двигатели и большего износа, которым они подвергались. Изменения начались только в 1830-х годах, обычно путем добавления еще одного баллона (высокого давления). [42]

Еще одним ограничением первых паровых машин была изменчивость скорости, что делало их непригодными для многих текстильных приложений, особенно для прядения. Чтобы получить постоянные скорости, первые текстильные фабрики с паровым двигателем использовали паровой двигатель для перекачки воды в водяное колесо, которое приводило в движение машины. [43]

Многие из этих двигателей поставлялись по всему миру и обеспечивали надежную и эффективную работу в течение многих лет при значительном снижении расхода угля. Некоторые из них были очень большими, и этот тип продолжали строить вплоть до 1890-х годов.

Двигатель Корлисс [ править ]

Основная статья: паровой двигатель Корлисс
«Улучшенный клапан Корлисса Гордона», детальный вид. Пластина для запястья - это центральная пластина, от которой стержни исходят к каждому из 4 клапанов.

Паровой двигатель Корлисс (патент 1849) был назван наибольшее улучшение начиная с Джеймса Уатта. [44] Двигатель Corliss значительно улучшил управление скоростью и повысил эффективность, что сделало его пригодным для всех видов промышленного применения, включая прядение.

Компания Corliss использовала отдельные порты для подачи и выпуска пара, которые не позволяли выхлопу охлаждать канал, используемый горячим паром. Corliss также использовала частично вращающиеся клапаны, которые обеспечивали быстрое срабатывание и помогали снизить потери давления. Сами клапаны также были источником пониженного трения, особенно по сравнению с золотниковыми клапанами, которые обычно использовали 10% мощности двигателя. [45]

Корлисс использовал автоматическое отключение переменных. Клапанный механизм регулирует частоту вращения двигателя с помощью регулятора для изменения момента отключения. Это частично способствовало повышению эффективности в дополнение к лучшему контролю скорости.

Дополнительная информация: паровой двигатель

Высокоскоростной паровой двигатель Портера-Аллена [ править ]

Дополнительная информация: Высокоскоростной паровой двигатель.
Высокоскоростной двигатель Портера-Аллена. Увеличьте, чтобы увидеть губернатор Портера слева перед маховиком.

В двигателе Портера-Аллена, представленном в 1862 году, использовался усовершенствованный механизм клапанной передачи, разработанный для Портера Алленом, механиком исключительных способностей, и сначала он был широко известен как двигатель Аллена. Высокоскоростной двигатель был прецизионным, хорошо сбалансированным, достижения стали возможны благодаря достижениям в области станков и производственных технологий. [45]

Высокоскоростной двигатель работал с частотой вращения поршня, в три-пять раз превышающей скорость обычных двигателей. Также у него была низкая вариабельность скорости. Высокоскоростной двигатель широко использовался на лесопильных заводах для привода циркулярных пил. Позже его использовали для выработки электроэнергии.

У двигателя было несколько преимуществ. В некоторых случаях он может быть напрямую связан. Если бы использовались шестерни или ремни и барабаны, они могли бы быть намного меньшего размера. Сам двигатель был также мал для развиваемой мощности. [45]

Портер значительно улучшил регулятор с шаровой головкой, уменьшив вращающийся вес и добавив веса вокруг вала. Это значительно улучшило контроль скорости. Губернатор Портера стал ведущим типом, 1880. [ править ]

По эффективности двигатель Портера-Аллена был хорош, но не равнялся двигателю Корлисса. [8]

Механизм Uniflow (или unaflow) [ править ]

Основная статья: Паровой двигатель Uniflow

Однопоточный двигатель был наиболее эффективным типом двигателя высокого давления. Он был изобретен в 1911 году и использовался на кораблях, но был вытеснен паровыми турбинами, а позже и судовыми дизельными двигателями . [46] [47] [48] [12]

Ссылки [ править ]

  1. ^ "турбина". Encyclopdia Britannica. 2007. Британская энциклопедия онлайн. 18 июля
  2. ^ Мудрый, Венделл Х. (2000). Энергетические ресурсы: возникновение, производство, преобразование, использование . Birkhäuser. п. 190. ISBN 978-0-387-98744-6.
  3. ↑ Heron Alexandrinus (Герой Александрии) (ок. 62 г. н.э. ): Spiritalia seu Pneumatica . Перепечатано в 1998 г. фирмой KG Saur GmbH, Мюнхен. ISBN 3-519-01413-0 . 
  4. ^ a b c Дейтон, Фред Эрвинг (1925). «Две тысячи лет пара» . Дни парохода . Компания Фредерика А. Стокса. п. 1.
  5. ↑ Герой Александрии (1851). "Двери храма открыты огнем на жертвеннике" . Пневматика Героя Александрии . Беннет Вудкрофт (пер.). Лондон: Тейлор Уолтон и Маберли (онлайн-издание из Университета Рочестера, Рочестер, Нью-Йорк). Архивировано из оригинала на 2008-05-09 . Проверено 23 апреля 2008 .
  6. ^ "Терстон, Роберт (1878)," История роста паровой машины " " . History.rochester.edu. 1996-12-16. Архивировано из оригинала на 1997-06-29 . Проверено 26 января 2012 .
  7. ^ Терстон, Роберт Генри (1996). История развития паровой машины (переиздание). Элиброн. п. 12. ISBN 1-4021-6205-7.
  8. ^ а б Таки ад-Дин и первая паровая турбина, 1551 год нашей эры. Архивировано 18 февраля 2008 г. на сайте Wayback Machine , веб-страница, доступ к которой был осуществлен 23 октября 2009 г .; эта веб-страница относится к Ahmad Y Hassan (1976), Taqi al-Din and Arabic Mechanical Engineering , стр. 34-5, Институт истории арабской науки, Университет Алеппо .
  9. ^ "Университет Рочестера, штат Нью-Йорк, рост ресурса истории паровой машины онлайн, глава первая" . History.rochester.edu. Архивировано из оригинала на 2012-02-04 . Проверено 26 января 2012 .
  10. ^ Роберт Генри Терстон, История роста паровой машины , Д. Эпплтон и компания, 1903, Google Print, стр. 15-16 (общественное достояние)
  11. ^ Гарсия, Николас (2007). Mas alla de la Leyenda Negra . Валенсия: Университет Валенсии. С. 443–454. ISBN 9788437067919.
  12. ^ а б Макнил, Ян (1990). Энциклопедия истории техники . Лондон: Рутледж. ISBN 0-415-14792-1.
  13. ^ Б с д е е г ч Джонсон, Стивен (2008). Изобретение воздуха: история науки, веры, революции и рождения Америки . Нью-Йорк: книги Riverhood. ISBN 978-1-59448-852-8.
  14. ^ Тредголд, стр. 3
  15. ^ Терстон, Роберт Генри (1883). История развития паровой машины . Лондон: Киган Пол и Тренч (переиздано Adamant 2001). С. 21–22. ISBN 1-4021-6205-7.
  16. ^ a b Тредголд, стр. 6
  17. ^ а б Ландес, Дэвид. С. (1969). Свободный Прометей: технологические изменения и промышленное развитие в Западной Европе с 1750 года по настоящее время . Кембридж, Нью-Йорк: Пресс-синдикат Кембриджского университета. ISBN 0-521-09418-6.
  18. ^ а б Л. Т. К. Ролт и Дж. С. Аллен, Паровоз Томаса Ньюкомена (Landmark Publishing, Ashbourne 1997).
  19. ^ PW King. «Горнодобывающая промышленность Черной страны до промышленной революции». История горного дела: Бюллетень Общества истории горного дела Пик-Дистрикт . 16 (6): 42–3.
  20. ^ Дженкинс, Рис (1936). Ссылки в истории инженерии и технологии времен Тюдоров . Кембридж (1-й), Книги для издательства библиотек (2-й): Общество Ньюкомена в издательстве Кембриджского университета. ISBN 0-8369-2167-4Сборник статей Риса Дженкинса, бывшего старшего эксперта Патентного ведомства ВеликобританииCS1 maint: location (link)
  21. ^ "Phil. Trans. 1751-1752 47, 436-438, опубликовано 1 января 1751 г." .
  22. ^ Халс David K (1999): «Раннее развитие парового двигателя»; TEE Publishing, Лимингтон-Спа, Великобритания, ISBN, 85761 107 1
  23. ^ "Отчет инженерного отдела Пакстон (2 из 3)" . Content.cdlib.org. 2009-10-20 . Проверено 26 января 2012 .
  24. ^ Тредголд, стр. 21-24
  25. ^ «Энергетический зал | См.« Старая Бесс »за работой» . Научный музей. Архивировано из оригинала на 2012-02-05 . Проверено 26 января 2012 .
  26. ^ a b c Роу, Джозеф Уикхэм (1916), английские и американские производители инструментов , Нью-Хейвен, Коннектикут: Yale University Press, LCCN 16011753 . Перепечатано McGraw-Hill, Нью-Йорк и Лондон, 1926 ( LCCN  27-24075 ); и Lindsay Publications, Inc., Брэдли, Иллинойс, ( ISBN 978-0-917914-73-7 ). 
  27. ↑ Огг, Дэвид. (1965), Европа старого режима: 1715-1783 Fontana History of Europe, (стр. 117 и 283)
  28. ^ Тайлер, Дэвид (2004): Оксфордский словарь национальной биографии . Издательство Оксфордского университета.
  29. ^ Эйрес, Роберт (1989). «Технологические преобразования и длинные волны» (PDF) : 13. Cite journal requires |journal= (help)
  30. ^ Розен, Уильям (2012). Самая сильная идея в мире: история пара, индустрии и изобретений . Издательство Чикагского университета. п. 185. ISBN 978-0226726342.
  31. ^ «Двигатель Lap» в коллекции Группы Музея науки » . collection.sciencemuseumgroup.org.uk . Проверено 11 мая 2020 .
  32. ^ Халс, Дэвид К., Развитие вращательного движения с помощью энергии пара (TEE Publishing Ltd., Лимингтон, Великобритания, 2001) ISBN 1-85761-119-5 
  33. ^ Томсон, Росс (2009). Структуры изменений в эпоху механики: технологическое изобретение в Соединенных Штатах 1790-1865 гг . Балтимор, Мэриленд: Издательство Университета Джона Хопкинса. п. 47 . ISBN 978-0-8018-9141-0.
  34. Перейти ↑ Bennett, S. (1979). История контрольной техники 1800-1930 гг . Лондон: Питер Перегринус Лтд., Стр. 2. ISBN 0-86341-047-2.
  35. ^ https://archive.org/stream/cu31924004249532#page/n45/mode/2up стр.21
  36. ^ "Паровой двигатель краткая история поршневого двигателя, RJLaw, Музей науки, Канцелярские товары Ее Величества Лондон, ISBN 0 11 290016 X , стр. 12 
  37. ^ «Вход для членов - Руководство по Graces» (PDF) .
  38. ^ Мейер, Дэвид Р. (2006). Сетевые машинисты: высокотехнологичные отрасли в довоенной Америке . Джонс Хопкинс изучает историю технологий. Балтимор: Издательство Университета Джона Хопкинса. п. 44. ISBN 978-0-8018-8471-9. OCLC  65340979 .
  39. ^ "Инженерные сроки - Ричард Тревитик - Пар высокого давления" .
  40. ↑ Янг, Роберт: «Тимоти Хакворт и Локомотив»; The Book Guild Ltd, Льюис, Великобритания (2000) (перепечатка изд. 1923 г.), стр. 18-21.
  41. ^ Нуволари, Алессандро; Verspagen, Барт (2007). " Репортер двигателя Лин и двигатель Корнуолла" . Труды Общества Ньюкоменов . 77 (2): 167–190. DOI : 10.1179 / 175035207X204806 . S2CID 56298553 . 
  42. ^ Нуволари, Алессандро; Верспаген, Барт (2009). «Технический выбор, инновации и британская паровая техника, 1800-1850 годы». Обзор экономической истории . 63 (3): 685–710. DOI : 10.1111 / j.1468-0289.2009.00472.x . S2CID 154050461 . 
  43. ^ Томсон, Росс (2009). Структуры изменений в эпоху механики: технологическое изобретение в Соединенных Штатах 1790-1865 гг . Балтимор, Мэриленд: Издательство Университета Джона Хопкинса. С.  83–85 . ISBN 978-0-8018-9141-0.
  44. ^ Томсон, стр. 83-85.
  45. ^ a b c Хантер, Луи С. (1985). История промышленной власти в Соединенных Штатах, 1730-1930, Vol. 2: Сила пара . Шарлоттсвилл: Издательство Университета Вирджинии.
  46. ^ Охотник и год-1985
  47. ^ Макнил, Ян (1990). Энциклопедия истории техники . Лондон: Рутледж. ISBN 0415147921.
  48. ^ Марк Левинсон (2006). Коробка: как транспортный контейнер сделал мир меньше, а мировую экономику - больше . Princeton Univ. Нажмите. ISBN 0-691-12324-1.Обсуждает типы двигателей в эпоху контейнерных перевозок, но даже не упоминает uniflo.

Библиография [ править ]

  • Гурр, Дункан; Хант, Джулиан (1998). Хлопковые фабрики Олдхэма . Oldham Education & Leisure. ISBN 0-902809-46-6. Архивировано из оригинала на 2011-07-18 . Проверено 4 февраля 2009 .
  • Робертс, AS (1921). "Список двигателей Артура Роберта" . Черная книга Артура Робертса . Один парень из Barlick-Book Transcription. Архивировано из оригинала на 2011-07-23 . Проверено 11 января 2009 .
  • Кертис, HP (1921). «Глоссарий текстильных терминов» . Черная книга Артура Робертса . Манчестер: Marsden & Company, Ltd. 1921. Архивировано из оригинала на 2011-10-06 . Проверено 11 января 2009 .
  • Нэсмит, Джозеф (1894). Недавнее строительство и проектирование хлопковой фабрики . Джон Хейвуд, Динсгейт, Манчестер, переиздал Elibron Classics. ISBN 1-4021-4558-6. Проверено 11 января 2009 .
  • Холмы, Ричард Лесли (1993). Сила из пара: история стационарного парового двигателя . Издательство Кембриджского университета. п. 244. ISBN 0-521-45834-X. Проверено 10 января 2009 года .
  • Тейлор, J.¨ (1827). Томас Тредголд. Паровоз .см Томаса Тредголда

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Стюарт, Роберт, Описательная история парового двигателя , Лондон: Дж. Найт и Х. Лейси, 1824.
  • Гаскойн, Бамбер (2001). «История Steam» . HistoryWorld . Проверено 16 ноября 2009 года .