Motor cu aburi- un motor termic cu ardere externă care transformă energia aburului în lucru mecanic al mișcării alternative a pistonului și apoi în mișcarea de rotație a arborelui. Într-un sens mai larg, un motor cu abur este orice motor cu ardere externă care transformă energia aburului în lucru mecanic.
Motor cu abur staționar orizontal cu doi cilindri pentru antrenarea transmisiilor din fabrică. Sfârșitul secolului al XIX-lea Expoziție a Muzeului Culturii Industriale. Nürnberg
Importanța motoarelor cu abur
Motoarele cu abur au fost folosite ca motor de tracțiune în stații de pompare, locomotive, nave cu abur, tractoare, mașini cu abur și alte vehicule. Motoarele cu abur au contribuit la utilizarea comercială pe scară largă a mașinilor în întreprinderi și au constituit baza energetică a revoluției industriale din secolul al XVIII-lea. Mai târziu, motoarele cu abur au fost înlocuite de motoare cu ardere internă, turbine cu abur și motoare electrice, care erau mai eficiente.
Turbinele cu abur, în mod oficial un tip de motor cu abur, sunt încă utilizate pe scară largă pentru a conduce generatoarele de electricitate. Aproximativ 86% din electricitatea mondială este generată cu ajutorul turbinelor cu abur.
Principiul de funcționare
Pentru a conduce un motor cu abur, este necesar un cazan cu abur. Aburul în expansiune apasă pe piston sau pe paletele turbinei cu abur, a cărei mișcare este transmisă altor părți mecanice. Unul dintre avantajele motoarelor cu ardere externă este că, datorită separării cazanului de motorul cu abur, se poate folosi aproape orice tip de combustibil - de la bălegar la uraniu.
Invenție și dezvoltare
Primul dispozitiv cunoscut alimentat cu abur a fost descris de Heron din Alexandria în primul secol. Aburul care iese tangențial din duzele atașate la minge a făcut ca aceasta din urmă să se rotească. Turbina cu abur propriu-zisă a fost inventată mult mai târziu, în Egiptul medieval, de către filozoful, astronomul și inginerul arab din secolul al XVI-lea Taghi al-Dinome. El a propus o metodă de rotire a unui scuipat prin intermediul unui flux de abur direcționat către lamele atașate de marginea unei roți. O mașină similară a fost propusă în 1629 de inginerul italian Giovanni Branca pentru rotirea unui dispozitiv de ancorare cilindric, care ridica și eliberează alternativ o pereche de pistiluri în mortare. Fluxul de abur din aceste turbine cu abur timpurie nu a fost concentrat și o mare parte din energia sa a fost disipată în toate direcțiile, ducând la pierderi semnificative de energie.
Cu toate acestea, dezvoltarea în continuare a motorului cu abur a necesitat condiții economice în care dezvoltatorii de motoare să poată profita de rezultatele lor. Asemenea condiții nu existau nici în antichitate, nici în Evul Mediu, nici în Renaștere. Abia la sfârșitul secolului al XVII-lea au fost create motoarele cu abur ca curiozități unice. Prima mașină a fost creată de inventatorul spaniol Jeronimo Ayans de Beaumont, ale cărui invenții au influențat brevetul lui T. Severi (vezi mai jos). Principiul funcționării și aplicării motoarelor cu abur a fost descris și în 1655 de englezul Edward Somerset. În 1663 a publicat un proiect și a instalat un dispozitiv alimentat cu abur pentru ridicarea apei pe peretele Turnului Mare de la Castelul Raglan (gavurile din peretele unde a fost instalat motorul erau încă vizibile în secolul al XIX-lea). Cu toate acestea, nimeni nu a fost dispus să riște bani pe acest nou concept revoluționar, iar motorul cu abur a rămas nedezvoltat. Unul dintre experimentele fizicianului și inventatorului francez Denis Papin a fost crearea unui vid într-un cilindru închis. La mijlocul anilor 1670, la Paris, a colaborat cu fizicianul olandez Huygens la o mașină care a forțat aerul să iasă dintr-un cilindru explodând praful de pușcă în el. Văzând incompletitudinea vidului creat de aceasta, Papen, după ce a ajuns în Anglia în 1680, a creat o versiune a aceluiași cilindru, în care a obținut un vid mai complet folosind apă clocotită, care s-a condensat în cilindru. Astfel, a putut ridica o greutate atașată de piston printr-o frânghie aruncată peste un scripete. Sistemul a funcționat ca model demonstrativ, dar pentru a repeta procesul, întregul aparat a trebuit să fie demontat și reasamblat. Papin și-a dat seama repede că pentru a automatiza ciclul, aburul trebuia produs separat în cazan. Prin urmare, Papin este considerat inventatorul cazanului cu abur, deschizând astfel calea motorului cu abur al lui Newcomen. Cu toate acestea, el nu a propus proiectarea unui motor cu abur funcțional. Papin a proiectat și o barcă propulsată de o roată cu putere reactivă într-o combinație a conceptelor lui Taghi-al-Din și Severi; i se atribuie, de asemenea, inventarea multor dispozitive importante, precum supapa de siguranță.
Niciunul dintre dispozitivele descrise nu a fost folosit efectiv ca mijloc de rezolvare a unor probleme utile. Prima mașină cu abur folosită în producție a fost „mașina de pompieri”, proiectată de inginerul militar englez Thomas Savery în 1698. Severi a primit un brevet pentru dispozitivul său în 1698. Era o pompă de abur cu piston și evident nu foarte eficientă, deoarece căldura aburului se pierdea de fiecare dată în timpul răcirii recipientului și era destul de periculoasă de funcționare, deoarece din cauza presiunii mari a aburului, containerele și conductele motorului explodau uneori. . Deoarece acest dispozitiv putea fi folosit atât pentru a roti roțile unei mori de apă, cât și pentru a pompa apa din mine, inventatorul l-a numit „prietenul minerului”.
Apoi fierarul englez Thomas Newcomen și-a demonstrat „motorul atmosferic” în 1712. Era un motor cu abur Severi îmbunătățit, în care Newcomen a redus semnificativ presiunea aburului de funcționare. Prima utilizare a motorului Newcomen a fost pomparea apei dintr-o mină adâncă. Într-o pompă de mină, culbutorul era conectat la o tijă care cobora în puț până în camera pompei. Mișcările alternative ale împingerii erau transmise pistonului pompei, care furnizează apă în sus. Motorul lui Newcomen a devenit primul motor cu abur care a primit o utilizare practică pe scară largă, cu care este asociat de obicei începutul revoluției industriale din Anglia. Primul motor cu abur în vid cu doi cilindri din Rusia a fost proiectat de mecanicul I. I. Polzunov în 1763 și construit în 1764 pentru a conduce suflante la fabricile Barnaul Kolyvano-Voskresensk. O creștere suplimentară a eficienței a fost utilizarea aburului de înaltă presiune (americanul Oliver Evans și englezul Richard Trevithick). R. Trevithick a construit cu succes motoare industriale de înaltă presiune, într-un singur timp, cunoscute sub numele de „motoare Cornish”. Au funcționat la o presiune de 50 de lire sterline pe inch pătrat sau 345 kPa (3,405 atmosfere). Cu toate acestea, odată cu creșterea presiunii, a existat și un pericol mai mare de explozie la mașini și cazane, ceea ce a dus inițial la numeroase accidente. Din acest punct de vedere, cel mai important element al mașinii de înaltă presiune a fost supapa de siguranță, care elibera excesul de presiune. Funcționarea fiabilă și sigură a început doar odată cu acumularea de experiență și standardizarea procedurilor de construcție, exploatare și întreținere a echipamentelor. Inventatorul francez Nicolas-Joseph Cugnot a demonstrat primul vehicul cu abur autopropulsat funcțional în 1769: fardier à vapeur (cărucior cu abur). Poate că invenția sa poate fi considerată prima mașină. Tractorul cu abur autopropulsat s-a dovedit a fi foarte util ca sursă mobilă de energie mecanică care conducea alte mașini agricole: treieratoare, prese etc. În 1788, un vapor cu aburi construit de John Fitch asigura deja serviciu regulat de-a lungul râului Delaware între Philadelphia (Pennsylvania) și Burlington (statul New York). Acesta a transportat 30 de pasageri și a călătorit cu o viteză de 7-8 mile pe oră. La 21 februarie 1804, prima locomotivă cu abur autopropulsată, construită de Richard Trevithick, a fost expusă la fabrica Penydarren din Merthyr Tydfil din Țara Galilor de Sud.
Motoare cu abur alternative
Motoarele alternative folosesc puterea aburului pentru a muta un piston într-o cameră sau cilindru etanș. Acțiunea alternativă a pistonului poate fi transformată mecanic în mișcare liniară a pompelor cu piston sau în mișcare rotativă pentru a antrena părți rotative ale mașinilor-unelte sau roților vehiculului.
Mașini de vid
Gravura motorului lui Newcomen. Această imagine este copiată dintr-un desen din Desagliers's A Course in Experimental Philosophy, 1744, care este o copie modificată a unei gravuri a lui Henry Beaton datată 1717. Acesta este probabil al doilea motor al lui Newcomen, instalat în jurul anului 1714 la Grief Colliery din Warkshire.
Motoarele cu abur timpurii au fost numite mai întâi „motoare de pompieri” și, de asemenea, motoarele „atmosferice” sau „condensante” ale lui Watt. Au funcționat pe principiul vidului și, prin urmare, sunt cunoscute și sub denumirea de „motoare cu vid”. Astfel de mașini au funcționat pentru a antrena pompe cu piston, în orice caz, nu există dovezi că ar fi fost folosite în alte scopuri. Când funcționează un motor cu abur de tip vid, la începutul cursei, în camera de lucru sau cilindrul este admis abur de joasă presiune. Supapa de admisie se închide apoi și aburul se răcește prin condensare. Într-un motor Newcomen, apa de răcire este pulverizată direct în cilindru, iar condensul se scurge într-un colector de condens. Acest lucru creează un vid în cilindru. Presiunea atmosferică din partea superioară a cilindrului apasă pe piston și îl face să se miște în jos, adică cursa de lucru.
Pistonul este conectat printr-un lanț de capătul unui culbutor mare, care se rotește în jurul mijlocului său. Pompa sub sarcină este conectată printr-un lanț de capătul opus al culbutorului, care, sub acțiunea pompei, readuce pistonul în vârful cilindrului prin gravitație. Așa se întâmplă invers. Presiunea aburului este scăzută și nu poate contracara mișcarea pistonului.
Răcirea și reîncălzirea constantă a cilindrului de lucru al mașinii a fost foarte risipitoare și ineficientă, cu toate acestea, aceste motoare cu abur au făcut posibilă pomparea apei de la adâncimi mai mari decât era posibil înainte de introducerea lor. În 1774, a apărut o versiune a motorului cu abur, creată de Watt în colaborare cu Matthew Boulton, a cărei principală inovație a fost îndepărtarea procesului de condensare într-o cameră separată specială (condensator). Această cameră a fost plasată într-o baie de apă rece și a fost conectată la cilindru printr-un tub închis de o supapă. O pompă de vid specială mică (un prototip de pompă de condens) a fost atașată la camera de condensare, acționată de un culbutor și folosită pentru a îndepărta condensul din condensator. Apa caldă rezultată a fost furnizată de o pompă specială (un prototip al pompei de alimentare) înapoi la cazan. O altă inovație radicală a fost închiderea capătului superior al cilindrului de lucru, care acum conținea abur de joasă presiune în partea de sus. Același abur era prezent și în mantaua dublă a cilindrului, menținându-i temperatura constantă. Pe măsură ce pistonul se mișca în sus, acest abur a fost transferat prin tuburi speciale în partea inferioară a cilindrului pentru a suferi condens în cursa următoare. Mașina, de fapt, a încetat să mai fie „atmosferică”, iar puterea sa depindea acum de diferența de presiune dintre aburul de joasă presiune și vidul care putea fi obținut.
Versiunea lui Watt a motorului cu abur
În motorul cu abur al lui Newcomen, pistonul a fost lubrifiat cu o cantitate mică de apă turnată deasupra; în mașina lui Watt, acest lucru a devenit imposibil, deoarece acum exista abur în partea superioară a cilindrului; a fost necesar să treceți la lubrifiere cu un amestec de unsoare si ulei. Același lubrifiant a fost folosit la etanșarea tijei cilindrului.
Motoarele cu abur cu vid, în ciuda limitărilor evidente ale eficienței lor, erau relativ sigure și foloseau abur de joasă presiune, ceea ce era destul de în concordanță cu nivelul general scăzut al tehnologiei cazanelor din secolul al XVIII-lea. Puterea mașinii era limitată de presiunea scăzută a aburului, dimensiunea cilindrului, viteza de ardere a combustibilului și evaporarea apei în cazan, precum și dimensiunea condensatorului. Eficiența teoretică maximă a fost limitată de diferența relativ mică de temperatură pe ambele părți ale pistonului; aceasta a făcut ca mașinile de vid destinate utilizării industriale să fie prea mari și scumpe.
În jurul anului 1811, Richard Trevithnick trebuia să îmbunătățească mașina lui Watt pentru a o adapta la noile cazane din Cornish. Presiunea aburului deasupra pistonului a ajuns la 275 kPa (2,8 atmosfere), iar aceasta a furnizat puterea principală pentru a finaliza cursa de lucru; În plus, condensatorul a fost îmbunătățit semnificativ. Astfel de mașini au fost numite mașini Cornish și au fost construite până în anii 1890. Multe mașini vechi Watt au fost restaurate la acest nivel. Unele dintre mașinile lui Cornish erau destul de mari.
Motoare cu abur de înaltă presiune
La motoarele cu abur, aburul curge din cazan în camera de lucru a cilindrului, unde se extinde, exercitând presiune asupra pistonului și efectuând lucrări utile. Aburul expandat poate fi apoi eliberat în atmosferă sau furnizat unui condensator. O diferență importantă între mașinile de înaltă presiune și mașinile de vid este că presiunea aburului de evacuare depășește sau este egală cu presiunea atmosferică, adică nu se creează un vid. Aburul de evacuare avea de obicei o presiune peste presiunea atmosferică și era adesea evacuat în coș, ceea ce făcea posibilă creșterea tirajului cazanului.
Importanta cresterii presiunii aburului este ca acesta capata o temperatura mai mare. Astfel, un motor cu abur de înaltă presiune funcționează la o diferență de temperatură mai mare decât se poate obține în mașinile cu vid. După ce mașinile de înaltă presiune le-au înlocuit pe cele cu vid, acestea au devenit baza pentru dezvoltarea și îmbunătățirea ulterioară a tuturor motoarelor cu abur cu piston. Cu toate acestea, presiunea care era considerată ridicată în 1800 (275-345 kPa) este acum considerată foarte scăzută - presiunea în cazanele moderne cu abur este de zeci de ori mai mare.
Un avantaj suplimentar al mașinilor de înaltă presiune este că sunt mult mai mici pentru un anumit nivel de putere și, prin urmare, semnificativ mai puțin costisitoare. În plus, un astfel de motor cu abur ar putea fi suficient de ușor și compact pentru a fi utilizat pe vehicule. Transportul cu abur rezultat (locomotive cu abur, nave cu abur) a revoluționat transportul comercial și de pasageri, strategia militară și, în general, a afectat aproape fiecare aspect al vieții publice.
Diagrama unui motor cu abur orizontal cu un singur cilindru de înaltă presiune, cu acțiune dublă. Priza de putere este efectuată de cureaua de transmisie:
1 - Piston2 - Tija pistonului
3 - Glisor
4 - Biela
5 - Arborele cotit
6 - Excentric pentru acţionarea supapei
7 - Volant
8 - Tambur
9 - Regulator centrifugal.
Motoare cu abur cu dublă acțiune
Următorul pas important în dezvoltarea motoarelor cu abur de înaltă presiune a fost apariția mașinilor cu dublă acțiune. La mașinile cu acțiune simplă, pistonul s-a deplasat într-o direcție prin forța expansiunii aburului, dar s-a întors înapoi fie sub influența gravitației, fie datorită momentului de inerție al unui volant rotativ conectat la motorul cu abur.
În motoarele cu abur cu dublă acțiune, aburul proaspăt este furnizat alternativ pe ambele părți ale cilindrului de lucru, în timp ce aburul uzat de cealaltă parte a cilindrului este eliberat în atmosferă sau într-un condensator. Acest lucru a necesitat crearea unui mecanism de distribuție a aburului destul de complex. Principiul cu dublă acțiune mărește viteza de funcționare a mașinii și îmbunătățește netezimea.
Pistonul unui astfel de motor cu abur este conectat la o tijă de culisare care se extinde din cilindru. La această tijă este atașată o biela oscilantă, antrenând manivela volantului. Sistemul de distribuție a aburului este acționat de un alt mecanism de manivelă. Mecanismul de distribuție a aburului poate avea o funcție inversă, astfel încât să puteți schimba sensul de rotație al volantului mașinii.
Un motor cu abur cu dublă acțiune este aproximativ de două ori mai puternic decât un motor cu abur convențional și poate funcționa și cu un volant mult mai ușor. Acest lucru reduce greutatea și costul mașinilor.
Majoritatea mașinilor cu abur cu piston folosesc tocmai acest principiu de funcționare, care se vede clar în exemplul locomotivelor cu abur. Când o astfel de mașină are doi sau mai mulți cilindri, manivelele sunt instalate la un decalaj de 90 de grade pentru a se asigura că mașina poate fi pornită în orice poziție a pistoanelor din cilindri. Unele aburi cu aburi pe roți aveau un motor cu abur cu un singur cilindru, cu dublă acțiune, iar pe ele era necesar să se asigure că roata nu se oprește într-un punct mort, adică într-o poziție în care pornirea motorului era imposibilă.
Acumularea de noi cunoștințe practice în secolele XVI-XVII a dus la progrese fără precedent în gândirea umană. Apa și roțile eoliene rotesc mașinile-unelte, pun în mișcare burduful fierarului, îi ajută pe metalurgiști să ridice minereu din mine, adică acolo unde mâinile omului nu pot face față muncii grele, apa și energia eoliană le vin în ajutor. Principalele realizări tehnologice ale acelei vremuri se datorau nu atât oamenilor de știință și științei, cât muncii minuțioase a inventatorilor pricepuți. Realizările în tehnologia minieră și în extracția diferitelor minereuri și minerale au fost deosebit de mari. Era necesar să se ridice minereul extras sau cărbunele din mină, să se pompeze în mod constant apa subterană care inunda mina, să se furnizeze în mod constant aer în mină și au fost necesare o varietate de alte lucrări care necesită multă muncă pentru ca producția să nu se oprească. . Astfel, industria în curs de dezvoltare a cerut în mod imperios din ce în ce mai multă energie, iar la acea vreme aceasta putea fi asigurată în principal de roți de apă. Ei au învățat deja cum să le construiască destul de puternice. Datorită creșterii puterii roților, metalul a început să fie folosit din ce în ce mai pe scară largă pentru arbori și alte piese. În Franța, pe râul Sena în 1682, maestrul R. Salem, sub conducerea lui A. de Ville, a construit cea mai mare instalație pentru acea vreme, formată din 13 roți cu diametrul de 8 m, care au servit la conducerea a peste 200 de roți. pompe care furnizează apă la o înălțime de peste 160 m și furnizează apă pentru fântânile din Versailles și Marly. Primele fabrici de bumbac foloseau un motor hidraulic. Mașinile de filat ale lui Arkwright au fost alimentate cu apă încă de la început. Cu toate acestea, roțile de apă puteau fi instalate doar pe un râu, de preferință adânc și rapid. Iar dacă pe malul râului mai putea fi construită o fabrică de textile sau de prelucrare a metalelor, atunci zăcămintele de minereu sau straturile de cărbune trebuiau dezvoltate doar în localitățile lor. Și pentru a pompa apa subterană care a inundat mina și pentru a ridica la suprafață minereul extras sau cărbunele, era nevoie și de energie. Prin urmare, în minele departe de râuri, trebuia folosită doar puterea animală.
Proprietarul unei mine engleze în 1702 a fost forțat să păstreze 500 de cai pentru a acționa pompele care pompau apa din mină, ceea ce era foarte neprofitabil.
Industria în curs de dezvoltare necesita noi tipuri puternice de motoare care să permită crearea producției oriunde. Primul imbold pentru crearea de noi motoare care puteau funcționa oriunde, indiferent dacă era sau nu un râu în apropiere, a fost tocmai nevoia de pompe și ascensoare în metalurgie și minerit.
Capacitatea aburului de a produce lucru mecanic este cunoscută de multă vreme omului. Primele urme ale utilizării inteligente efective a aburului în mecanică sunt menționate în 1545 în Spania, când un căpitan de naval
Blasco de Garay a construit o mașină cu ajutorul căreia a pus în mișcare roțile cu zbaturi laterale ale unei nave și care, la ordinul lui Carol al V-lea, a fost testată pentru prima dată în portul Barcelona când transporta 4.000 de chintale de marfă cu o navă trei mile marine în două. ore. Inventatorul a fost recompensat, dar mașina în sine a rămas nefolosită și a căzut în uitare.
La sfârșitul secolului al XVII-lea, în țările cu cea mai dezvoltată producție de producție, au luat naștere elemente ale noii tehnologii de mașini folosind proprietățile și puterea vaporilor de apă.
Încercările timpurii de a crea un motor termic au fost asociate cu necesitatea de a pompa apă din minele de unde se extragea combustibilul. În 1698, englezul Thomas Savery, fost miner și apoi căpitan al marinei comerciale, a propus pentru prima dată pomparea apei folosind un lift cu apă cu abur. Brevetul obținut de Severi spunea: „Această nouă invenție pentru ridicarea apei și obținerea mișcării pentru toate tipurile de manufacturi prin intermediul forței motrice a focului este de mare importanță pentru drenarea minelor, alimentarea cu apă a orașelor și producerea forței motrice pentru fabricile de tot felul. , care nu poate folosi puterea apei sau munca constantă a vântului.” Liftul de apă Severi a funcționat pe principiul aspirării apei din cauza presiunii atmosferice într-o cameră în care a fost creat un vid atunci când aburul s-a condensat cu apă rece. Motoarele cu abur ale lui Severi erau extrem de neeconomice și incomod de funcționat, nu puteau fi adaptate pentru a acționa mașinile-unelte, consumau cantități uriașe de combustibil, iar eficiența lor nu era mai mare de 0,3%. Cu toate acestea, nevoia de pompare a apei din mine era atât de mare încât chiar și aceste motoare cu abur voluminoase de tip pompă au câștigat o oarecare popularitate.
Thomas Newcomen (1663–1729) - inventator englez, fierar de profesie. Împreună cu tinkerul J. Cowley, a construit o pompă de abur, experimente de îmbunătățire care au continuat aproximativ 10 ani până când a început să funcționeze corect. Motorul cu abur al lui Newcomen nu era un motor universal. Meritul lui Newcomen este că a fost unul dintre primii care au realizat ideea de a folosi abur pentru a produce lucrări mecanice. Societatea Istoricii Tehnologiei din Marea Britanie îi poartă numele. În 1711, Newcomen, Cowley și Severy au format Compania deținătorilor de drepturi asupra invenției unui aparat pentru ridicarea apei prin foc. În timp ce acești inventatori dețineau un brevet pentru „utilizarea puterii focului”, toată munca lor privind fabricarea mașinilor cu abur a fost efectuată cu cea mai strictă încredere. Suedezul Triewald, care a fost implicat în instalarea mașinilor lui Newcomen, a scris: „... inventatorii Newcomen și Cowley au fost foarte suspicioși și atenți în a păstra pentru ei și copiii lor secretul construcției și utilizării invenției lor. Trimisul spaniol la curtea engleză, care a venit de la Londra cu o mare suită de străini pentru a se uita la noua invenție, nu i s-a permis nici măcar să intre în camera în care se aflau mașinile.” Dar în anii 20 ai secolului al XVIII-lea, brevetul a expirat și mulți ingineri au început să producă instalații de ridicare a apei. A apărut literatura care descrie aceste atitudini.
Procesul de distribuție a motoarelor cu abur universale în Anglia până la începutul secolului al XIX-lea. confirmă semnificația enormă a noii invenții. Dacă în deceniul de la 1775 la 1785. Au fost construite 66 de mașini cu dublă acțiune cu o putere totală de 1288 CP, apoi din 1785 până în 1795. Au fost deja create 144 de mașini cu dublă acțiune, cu o putere totală de 2009 CP, iar în următorii cinci ani - din 1795 până în 1800. – 79 de vehicule cu o putere totală de 1296 CP.
De fapt, utilizarea motorului cu abur în industrie a început în 1710, când muncitorii englezi Newcomen și Cowley au construit pentru prima dată un motor cu abur care conducea o pompă instalată într-o mină pentru a pompa apa din ea.
Cu toate acestea, mașina lui Newcomen nu era o mașină cu abur în sensul modern al cuvântului, deoarece forța motrice din ea nu era încă vaporii de apă, ci presiunea aerului atmosferic. Prin urmare, această mașină a fost numită „atmosferică”. Deși în mașină vaporii de apă au servit, ca și în mașina Severi, în principal pentru a crea un vid în cilindru, aici a fost deja propus un piston mobil - partea principală a unui motor cu abur modern.
În fig. Figura 4.1 prezintă liftul cu apă cu abur Newcomen–Cowley. Când tija pompei 1 și sarcina 2 au fost coborâte, pistonul 4 s-a ridicat și aburul a intrat în cilindrul 5 prin supapa deschisă 7 din cazanul 8, a cărei presiune era puțin mai mare decât cea atmosferică. Aburul a servit la ridicarea parțială a pistonului într-un cilindru deschis în partea de sus, dar rolul său principal era acela de a crea un vid în el. În acest scop, când pistonul mașinii a ajuns în poziția superioară, robinetul 7 a fost închis și apă rece a fost injectată din recipientul 3 prin robinetul 6 în cilindru. Vaporii de apă s-au condensat rapid, iar presiunea atmosferică a readus pistonul în partea de jos a cilindrului, ridicând tija de absorbție. Condensul a fost eliberat din cilindru printr-un tub9, pistonul a fost ridicat din nou datorită alimentării cu abur, iar procesul descris mai sus a fost repetat. Aparatul Newcomen este un motor periodic.
Motorul cu abur al lui Newcomen era mai avansat decât cel al lui Severi, mai ușor de operat, mai economic și mai productiv. Cu toate acestea, mașinile din prima producție au funcționat foarte neeconomic; pentru a crea o putere de un cal putere pe oră, s-a ars până la 25 kg de cărbune, adică eficiența a fost de aproximativ 0,5%. Introducerea distribuției automate a debitelor de abur și apă a simplificat întreținerea mașinii; timpul de cursă a pistonului a fost redus la 12-16 minute, ceea ce a redus dimensiunea mașinii și a redus costul de proiectare. În ciuda consumului mare de combustibil, acest tip de mașină s-a răspândit rapid. Deja în anii douăzeci ai secolului al XVIII-lea, aceste mașini funcționau nu numai în Anglia, ci și în multe țări europene - în Austria, Belgia, Franța, Ungaria, Suedia și au fost folosite timp de aproape un secol în industria cărbunelui și pentru alimentarea cu apă. la orase. În Rusia, primul motor cu abur și atmosferă al lui Newcomen a fost instalat în 1772 la Kronstadt pentru a pompa apa din doc. Prevalența mașinilor Newcomen este evidențiată de faptul că ultima mașină de acest tip din Anglia a fost dezmembrată abia în 1934.
Ivan Ivanovici Polzunov (1728–1766) este un talentat inventator rus, născut într-o familie de soldați. În 1742, Nikita Bakharev, un mecanic la uzina din Ekaterinburg, avea nevoie de studenți ascuțiți. Alegerea a căzut pe I. Polzunov și S. Cheremisinov, în vârstă de paisprezece ani, care încă studiau la Școala de Aritmetică. Pregătirea teoretică la școală a făcut loc familiarizării practice cu funcționarea celor mai moderne mașini și instalații ale fabricii de la Ekaterinburg din Rusia la acea vreme. În 1748, Polzunov a fost transferat la Barnaul pentru a lucra la fabricile Kolyvano-Voskresensk. După ce a studiat în mod independent cărți de metalurgie și mineralogie, în aprilie 1763, Polzunov a propus un proiect pentru o mașină cu abur complet originală, care se deosebea de toate mașinile cunoscute la acea vreme prin faptul că era proiectată pentru a antrena burdufuri și era o unitate de funcționare continuă. În memoriul său despre „mașina de acționare a focului” din 26 aprilie 1763, Polzunov, în propriile sale cuvinte, dorea „ ... construind o mașină de foc gospodărirea apei să fie oprită și, în aceste cazuri, complet distrusă, iar în locul barajelor pentru fundația mobilă a centralei să fie înființate astfel încât să poată suporta și, după bunul plac, toate sarcinile impuse ei înșiși, care sunt de obicei necesare pentru a aprinde focul nostru, orice trebuie corectat.” Și mai departe a scris: „Pentru a obține această glorie (dacă forțele permit) pentru Patrie și pentru ca ea să fie în folosul întregului popor, datorită marii cunoștințe despre folosirea lucrurilor care încă nu sunt foarte familiare. (urmând exemplul altor științe), a introduce în obicei.” Mai târziu, inventatorul a visat să adapteze mașina pentru alte nevoi. Proiectul I.I. Polzunov a fost prezentat biroului regal din Sankt Petersburg. Decizia Ecaterinei a II-a a fost următoarea: „Majestatea Sa Imperială nu este doar mulțumită cu milă de ei, Polzunov, dar pentru o mai mare încurajare ea s-a dezinit să comandă: primiți-l, Polzunov, la mechanicus cu gradul și salariul de căpitan-locotenent și dă-i 400 de ruble drept recompensă.” .
Mașinile lui Newcomen, care funcționau excelent ca dispozitive de ridicare a apei, nu puteau satisface nevoia urgentă de un motor universal. Ei doar au deschis calea pentru crearea de motoare cu abur universale continue.
În stadiul inițial de dezvoltare a motoarelor cu abur, este necesar să se evidențieze „mașina de pompieri” a maestrului minier rus Polzunov. Motorul a fost destinat să conducă mecanismele unuia dintre cuptoarele de topire ale fabricii Barnaul.
Conform proiectului lui Polzunov (Fig. 4.2), aburul de la cazan (1) a fost furnizat către unul, să zicem, cilindru stâng (2), unde a ridicat pistonul (3) în poziția sa cea mai înaltă. Apoi un curent de apă rece (4) a fost injectat din rezervor în cilindru, ceea ce a dus la condensarea aburului. Ca urmare a presiunii atmosferice asupra pistonului, acesta a coborât, în timp ce în cilindrul drept, ca urmare a presiunii aburului, pistonul s-a ridicat. Distribuția apei și a aburului în mașina lui Polzunov a fost efectuată de un dispozitiv automat special (5). Forța de lucru continuă de la pistoanele mașinii era transmisă unui scripete (6), montat pe un arbore, din care mișcarea era transmisă dispozitivului de distribuție apă-abur, pompa de alimentare, precum și arborele de lucru, din pe care suflantele erau conduse.
Motorul lui Polzunov era de tip „atmosferic”, dar în el inventatorul a fost primul care a introdus însumarea muncii a doi cilindri cu pistoane pe un arbore comun, ceea ce a asigurat o cursă mai uniformă a motorului. Când unul dintre cilindri mergea la ralanti, celălalt mergea. Motorul avea distribuție automată a aburului și pentru prima dată nu era conectat direct la mașina de lucru. I.I. Polzunov și-a creat mașina în condiții extrem de dificile, cu propriile mâini, fără fondurile necesare și utilaje speciale. Nu avea la dispoziție meșteri pricepuți: conducerea fabricii ia repartizat patru studenți lui Polzunov și a alocat doi muncitori pensionari. Un topor și alte unelte simple folosite la fabricarea mașinilor convenționale de atunci erau de puțin folos aici. Polzunov a trebuit să proiecteze și să construiască în mod independent echipamente noi pentru invenția sa. Construcția unei mașini mari, de aproximativ 11 metri înălțime, chiar din tablă, nici măcar testată pe un model, fără specialiști, a necesitat un efort enorm. Mașina a fost construită, dar la 27 mai 1766 I.I. Polzunov a murit din cauza consumului tranzitoriu, cu o săptămână înainte de a testa „mașina mare”. Mașina în sine, testată de studenții lui Polzunov, nu numai că s-a plătit singură, ci și-a adus profit, a funcționat timp de 2 luni, nu a primit îmbunătățiri suplimentare și, după o defecțiune, a fost abandonată și uitată. După motorul Polzunov, a trecut o jumătate de secol înainte ca motoarele cu abur să înceapă să fie folosite în Rusia.
James Watt - inventator englez, creatorul motorului universal cu abur, membru al Societății Regale din Londra - s-a născut în orașul Greenock din Scoția. Din 1757 a lucrat ca mecanic la Universitatea din Glasgow, unde a făcut cunoștință cu proprietățile vaporilor de apă și a efectuat cercetări privind dependența temperaturii aburului saturat de presiune. În 1763–1764, în timp ce a creat un model de motor cu abur al lui Newcomen, el a propus reducerea consumului de abur prin separarea condensatorului de abur de cilindru. Din acel moment, munca sa a început pentru îmbunătățirea motoarelor cu abur, studierea proprietăților aburului, construirea de noi mașini etc., care a continuat de-a lungul vieții sale. Pe monumentul lui Watt din Westminster Abbey este sculptată inscripția: „... după ce a aplicat puterea geniului creator la îmbunătățirea mașinii cu abur, a extins productivitatea țării sale, a crescut puterea omului asupra naturii și a ocupat un loc proeminent printre cei mai faimoși oameni de știință și adevărații binefăcători ai omenirii.” În căutarea fondurilor pentru a-și construi motorul, Watt a început să viseze la un loc de muncă profitabil în afara Angliei. La începutul anilor 70, le-a spus prietenilor că „s-a săturat de patria sa” și a început serios să vorbească despre mutarea în Rusia. Guvernul rus ia oferit inginerului englez „o ocupație conformă cu gustul și cunoștințele sale” și un salariu anual de 1000 de lire sterline. Plecarea lui Watt în Rusia a fost împiedicată de un contract pe care l-a încheiat în 1772 cu capitalistul Bolton, proprietarul unei întreprinderi de inginerie din Soho, lângă Birmingham. Bolton știa de mult despre inventarea unei noi mașini „de foc”, dar a ezitat să-i subvenționeze construcția, îndoindu-se de valoarea practică a mașinii. S-a grăbit să încheie un acord cu Watt numai atunci când a existat o amenințare reală ca inventatorul să plece în Rusia. Acordul care leagă Watt de Bolton s-a dovedit a fi foarte eficient. Bolton s-a arătat a fi o persoană inteligentă și lungă de vedere. Nu s-a zgarcit cu costurile de construire a mașinii. Bolton și-a dat seama că geniul lui Watt, eliberat de grija meschină și obositoare a unei bucăți de pâine, se va desfășura cu putere și se va îmbogăți pe capitalistul întreprinzător. În plus, Bolton însuși a fost un mare inginer mecanic. Ideile tehnice ale lui Watt l-au fascinat și ele. Fabrica din Soho era renumită pentru echipamentele sale de primă clasă la acea vreme și avea muncitori calificați. Prin urmare, Watt a acceptat cu entuziasm oferta lui Bolton de a începe producția de noi motoare cu abur la fabrică. De la începutul anilor 70 până la sfârșitul vieții sale, Watt a rămas mecanicul șef al fabricii. La uzina din Soho, la sfârșitul anului 1774, a fost construită prima mașină cu dublă acțiune.
Mașina lui Newcomen a fost mult îmbunătățită de-a lungul secolului de existență, dar a rămas „atmosferică” și nu a îndeplinit nevoile tehnologiei de fabricație în creștere rapidă, care necesita organizarea mișcării de rotație la viteză mare.
Căutările multor inventatori au avut ca scop atingerea acestui scop. Numai în Anglia, în ultimul sfert al secolului al XVIII-lea, au fost emise peste o duzină de brevete pentru motoare universale de diferite sisteme. Cu toate acestea, doar James Watt a reușit să ofere industriei un motor cu abur universal.
Watt și-a început munca la motorul cu abur aproape simultan cu Polzunov, dar în condiții diferite. În Anglia, în acest moment, industria se dezvolta rapid. Watt a fost susținut activ de Bolton, proprietarul mai multor fabrici din Anglia, care a devenit ulterior partenerul său, parlament, și a avut ocazia să folosească personal de inginerie cu înaltă calificare. În 1769, Watt a brevetat un motor cu abur cu un condensator separat, iar apoi utilizarea presiunii excesive a aburului în motor, ceea ce a redus semnificativ consumul de combustibil. Watt a devenit pe bună dreptate creatorul motorului cu piston cu abur.
În fig. 4.3 prezintă o diagramă a unuia dintre primele mașini cu abur ale lui Watt. Un cazan de abur1 cu un cilindru cu piston3 este conectat printr-o linie de abur2, prin care aburul este admis periodic în cavitatea superioară a cilindrului de deasupra pistonului4 și în cavitatea inferioară de sub piston. Aceste cavități sunt conectate la condensator printr-o conductă5, unde aburul de evacuare este condensat cu apă rece și se creează un vid. Mașina dispune de un echilibrator6, care, folosind o biela7, leagă pistonul cu manivela arborelui, la capătul căruia este montat un volant8.
Mașina este prima care folosește principiul dublei acțiuni a aburului, care constă în faptul că aburul proaspăt este introdus în cilindrul mașinii alternativ în camerele de pe ambele părți ale pistonului. Introducerea de către Watt a principiului expansiunii aburului a fost că aburul proaspăt a fost admis în cilindru doar pentru o parte a cursei pistonului, apoi aburul a fost întrerupt și mișcarea ulterioară a pistonului a fost efectuată datorită expansiunii aburului și a unei picături. în presiunea ei.
Astfel, în mașina lui Watt, forța motrice decisivă nu a fost presiunea atmosferică, ci elasticitatea aburului de înaltă presiune care conducea pistonul. Noul principiu de funcționare cu abur a necesitat o schimbare completă a designului mașinii, în special a cilindrului și a distribuției aburului. Pentru a elimina condensul de abur în cilindru, Watt a introdus mai întâi o manta de abur pentru cilindru, cu care a început să-și încălzească pereții de lucru cu abur și a izolat partea exterioară a mantalei de abur. Deoarece Watt nu putea folosi un mecanism bielă-manivelă în mașina sa pentru a crea o mișcare de rotație uniformă (un brevet de protecție a fost luat pentru o astfel de transmisie de către inventatorul francez Picard), în 1781 a obținut un brevet pentru cinci metode de conversie a unui mișcare de balansare într-una de rotație continuă. La început, în acest scop a folosit o roată planetară, sau solară. În cele din urmă, Watt a introdus un regulator de viteză centrifugal pentru a varia cantitatea de abur furnizată cilindrului mașinii pe măsură ce viteza se schimba. Astfel, Watt în motorul său cu abur a stabilit principiile de bază ale proiectării și funcționării unui motor cu abur modern.
Motoarele cu abur ale lui Watt funcționau cu abur saturat de joasă presiune de 0,2–0,3 MPa, la un număr redus de rotații pe minut. Motoarele cu abur, modificate în acest fel, au dat rezultate excelente, reducând consumul de cărbune pe CP/h (cai putere pe oră) de câteva ori în comparație cu utilajele lui Newcomen, și au înlocuit roata de apă din industria minieră. La mijlocul anilor '80 ai secolului al XVIII-lea. Designul motorului cu abur a fost în sfârșit dezvoltat, iar motorul cu abur cu dublă acțiune a devenit un motor termic universal, care și-a găsit o aplicare largă în aproape toate sectoarele economiei multor țări. În secolul al XIX-lea s-au răspândit centralele cu abur de ridicare a minelor, suflantele cu abur, centralele cu abur rulant, ciocanele cu abur, pompele cu abur etc.
Creștere în continuare a eficienței centrala electrică cu abur a fost realizată de contemporanul lui Watt, Arthur Wolf, în Anglia, prin introducerea expansiunii multiple a aburului succesiv în 2, 3 și chiar 4 trepte, în timp ce aburul trecea dintr-un cilindru al mașinii în altul.
Abandonarea balansierului și utilizarea expansiunii multiple a aburului au dus la crearea de noi forme structurale de mașini. Motoarele cu dublă expansiune au început să fie proiectate sub forma a doi cilindri - un cilindru de înaltă presiune (HPC) și un cilindru de joasă presiune (LPC), în care aburul de evacuare era furnizat după HPC. Cilindrii erau amplasați fie orizontal (mașină compusă, Fig. 4.4, a), fie secvenţial, când ambele pistoane erau montate pe o tijă comună (mașină tandem, Fig. 4.4, b).
Valoare mare pentru creșterea eficienței. Motoarele cu abur au început să folosească abur supraîncălzit cu temperaturi de până la 350°C la mijlocul secolului al XIX-lea, ceea ce a făcut posibilă reducerea consumului de combustibil la 4,5 kg per CP/h. Utilizarea aburului supraîncălzit a fost propusă pentru prima dată de omul de știință francez G.A. Girn.
George Stephenson (1781–1848) s-a născut într-o familie muncitoare și a lucrat în minele de cărbune din Newcastle, unde au lucrat și tatăl și bunicul său. A făcut multă autoeducație, a studiat fizica, mecanica și alte științe și era interesat de activități inventive. Abilitățile remarcabile ale lui Stephenson l-au condus la funcția de mecanic, iar în 1823 a fost numit inginer șef al companiei pentru construirea primei căi ferate publice, Stockton și Darlington; acest lucru i-a deschis mari oportunități în design și munca inventiva.
În Rusia, primele locomotive cu abur au fost construite de mecanicii și inventatorii ruși Cherepanovs - Efim Alekseevich (tatăl, 1774–1842) și Miron Efimovici (fiul, 1803–1849), care au lucrat la fabricile Nijni Tagil și au fost foști iobagi ai lui Demidov. proprietarii de fabrici. Soții Cherepanov, prin autoeducație, au devenit oameni educați, au vizitat fabrici din Sankt Petersburg și Moscova, Anglia și Suedia. Pentru activitățile lor inventive, Miron Cherepanov și soția sa au primit libertate în 1833. Efim Cherepanov și soția sa au primit libertate în 1836. Soții Cherepanov au creat aproximativ 20 de mașini cu abur diferite care lucrau la fabricile Nizhny Tagil.
Presiunea mare a aburului pentru motoarele cu abur a fost folosită pentru prima dată de Oliver Evans în America. Acest lucru a dus la o reducere a consumului de combustibil cu până la 3 kg per CP/h. Mai târziu, proiectanții de locomotive cu abur au început să folosească motoare cu abur cu mai mulți cilindri, abur sub presiune și dispozitive de inversare.
În secolul al XVIII-lea A existat o dorință complet de înțeles de a folosi motorul cu abur în transportul pe uscat și pe apă. În dezvoltarea motoarelor cu abur, locomotivele - unități mobile de putere cu abur - au format o direcție independentă. Prima instalație de acest tip a fost dezvoltată de constructorul englez John Smith. De fapt, dezvoltarea transportului de abur a început cu instalarea tuburilor de fum în cazanele cu tuburi de foc, care le-au crescut semnificativ producția de abur.
S-au făcut multe încercări de dezvoltare a locomotivelor cu abur - locomotive cu abur și s-au construit modele de lucru (Fig. 4.5, 4.6). Dintre acestea, se remarcă locomotiva cu abur „Rocket”, construită de talentatul inventator englez George Stephenson (1781–1848) în 1825 (vezi Fig. 4.6, a, b).
Rocket nu a fost prima locomotivă cu abur proiectată și construită de Stephenson, dar a fost superioară celorlalte în multe privințe și a fost votată cea mai bună locomotivă la o expoziție specială din Raehill și recomandată pentru noua cale ferată Liverpool și Manchester, care la acea vreme. devenit model. În 1823, Stephenson a organizat prima fabrică de locomotive cu abur în Newcastle. În 1829, în Anglia a fost organizat un concurs pentru cea mai bună locomotivă cu abur, al cărei câștigător a fost mașina lui J. Stephenson. Locomotiva sa cu abur „Raketa”, dezvoltată pe baza unui cazan cu fum, cu masa trenului de 17 tone, a atins o viteză de 21 km/h. Mai târziu, viteza „Rachetei” a fost mărită la 45 km/h.
Căile ferate au început să joace în secolul al XVIII-lea. rol imens. Prima cale ferată de călători din Rusia, cu lungimea de 27 km, prin decizia guvernului țarist, a fost construită de întreprinzători străini în 1837 între Sankt Petersburg și Pavlovsk. Calea ferată cu două șine Sankt Petersburg-Moscova a început să funcționeze în 1851.
În 1834, tatăl și fiul Cherepanovs au construit prima locomotivă cu abur rusească (vezi Fig. 4.6, c, d), transportând o încărcătură de 3,5 tone cu o viteză de 15 km/h. Locomotivele lor ulterioare transportau mărfuri cu o greutate de 17 tone.
Încercările de utilizare a motorului cu abur în transportul pe apă au fost făcute încă de la începutul secolului al XVIII-lea. Se știe, de exemplu, că fizicianul francez D. Papin (1647–1714) a construit o barcă condusă de un motor cu abur. Adevărat, Papen nu a avut succes în această chestiune.
Problema a fost rezolvată de inventatorul american Robert Fulton (1765–1815), născut în Little Briton (acum Fulton) din Pennsylvania. Este interesant de remarcat faptul că primele mari succese în crearea motoarelor cu abur pentru industrie, transport feroviar și pe apă au revenit mulțimii de oameni talentați care au dobândit cunoștințe prin autoeducație. În acest sens, Fulton nu a făcut excepție. Fulton, care mai târziu a devenit inginer mecanic, care provenea dintr-o familie săracă, a făcut inițial multă autoeducație. Fulton a trăit în Anglia, unde s-a angajat în construcția de structuri hidraulice și a rezolvat o serie de alte probleme tehnice. În Franța (Paris), a construit submarinul Nautilus și o navă cu aburi, care a fost testată pe râul Sena. Dar toate acestea au fost doar începutul.
Succesul real a venit la Fulton în 1807: revenit în America, a construit vasul cu abur cu vâsle „Clermont” cu o capacitate de ridicare de 15 tone, antrenat de un motor cu abur cu o putere de 20 CP. s., care în august 1807 a efectuat primul zbor de la New York la Albany cu o lungime de aproximativ 280 km.
Dezvoltarea ulterioară a transportului maritim, atât fluvial, cât și maritim, a decurs destul de repede. Acest lucru a fost facilitat de trecerea de la structurile navelor din lemn la cele din oțel, o creștere a puterii și vitezei motoarelor cu abur, introducerea unei elice și o serie de alți factori.
Odată cu inventarea mașinii cu abur, omul a învățat să transforme energia concentrată în combustibil în mișcare, în muncă.
Motorul cu abur este una dintre puținele invenții din istorie care a schimbat dramatic imaginea lumii, a revoluționat industria, transporturile și a dat impuls unei noi creșteri a cunoștințelor științifice. A fost un motor universal pentru industrie și transport pe tot parcursul secolului al XIX-lea, dar capacitățile sale nu mai îndeplineau cerințele de motor care au apărut în legătură cu construcția de centrale electrice și utilizarea mecanismelor de mare viteză la sfârșitul secolului al XIX-lea.
În loc de un motor cu abur de viteză mică, o turbină de mare viteză cu eficiență mai mare intră în arena tehnică ca un nou motor termic.
WATT, JAMES (Watt, James, 1736-1819), inginer și inventator scoțian. Născut la 19 ianuarie 1736 în Greenock, lângă Glasgow (Scoția), în familia unui negustor. Din cauza sănătății precare, Watt a studiat puțin formal, dar a învățat multe de unul singur. Deja în adolescență, era interesat de astronomie, experimente chimice, a învățat să facă totul cu propriile mâini și chiar și-a câștigat titlul de „joc de toate meserii” de la cei din jur.
Majoritatea oamenilor îl consideră a fi inventatorul motorului cu abur, dar acest lucru nu este în întregime adevărat.
Motoarele cu abur construite de D. Papen, T. Severi, I. Polzunov, T. Newcomen au început să lucreze în mine cu mult înainte de D. Watt. Ele diferă în design, dar principalul lucru la ei a fost că mișcarea pistonului a fost cauzată de încălzirea și răcirea alternantă a cilindrului de lucru. Din această cauză, au fost lente și au consumat mult combustibil.
La 19 ianuarie 1736, James Watt (1736-1819), un remarcabil inginer și inventator scoțian, a devenit celebru în primul rând ca creatorul unui motor cu abur îmbunătățit. Dar, de asemenea, a lăsat o amprentă strălucitoare în istoria medicinii de îngrijiri critice prin colaborarea sa cu Institutul Medical Pneumatic din Thomas Beddoes (Beddoes, Thomas, 1760-1808). James Watt a furnizat laboratoarele institutului cu echipamentul necesar. Datorită participării sale, la Institutul de Pneumatică au fost create și testate primele inhalatoare, spirometre, contoare de gaz etc.
James Watt însuși, precum și soția sa și unul dintre fiii săi, au participat în mod repetat la experimente științifice. Institutul de Pneumatică a devenit un adevărat centru științific în care au fost studiate proprietățile diferitelor gaze și efectul acestora asupra organismului uman. Se poate spune că Thomas Beddoe și asociații săi au fost pionierii și precursorii terapiei respiratorii moderne. Din păcate, Thomas Beddoe a crezut în mod eronat că tuberculoza este cauzată de excesul de oxigen.
Prin urmare, fiul lui James Watt, Gregory, a urmat un curs complet inutil de tratament cu inhalații de dioxid de carbon la Institutul de Pneumatică. Cu toate acestea, la Institutul de Pneumatică, oxigenul a fost folosit pentru prima dată în scopuri medicinale; au fost dezvoltate bazele terapiei cu aerosoli; Pentru prima dată, capacitatea totală a plămânilor a fost măsurată prin metoda diluării hidrogenului (G. Davy), etc. Punctul culminant al colaborării dintre Watt și Beddoe privind utilizarea terapeutică a diferitelor gaze a fost cartea lor comună „Materials on the Medical Use of Artificial Varieties of Air”, care a fost publicată în două ediții (1794, 1795) și a devenit prima specială. manual de oxigenoterapie.
În 1755, Watt a mers la Londra pentru a studia ca mecanic și producător de instrumente matematice și astronomice. După ce a finalizat un program de pregătire de șapte ani într-un an, Watt s-a întors în Scoția și a primit un post de mecanic la Universitatea din Glasgow. În același timp, și-a deschis propriul atelier de reparații.
La universitate, Watt l-a întâlnit pe marele chimist scoțian Joseph Black (1728-1799), care a descoperit dioxidul de carbon în 1754. Această întâlnire a contribuit la dezvoltarea unui număr de noi instrumente chimice necesare cercetărilor ulterioare ale lui Black, de exemplu, calorimetrul de gheață. . În acest moment, Joseph Black lucra la problema determinării căldurii de vaporizare, iar Watt a luat parte la furnizarea laturii tehnice a experimentelor.
În 1763, el, în calitate de mecanic universitar, i s-a cerut să repare modelul universitar al motorului cu abur al lui T. Newcomen.
Aici ar trebui să facem o scurtă digresiune în istoria creării motoarelor cu abur. Am fost odată învățați la școală, insuflând „șovinismul de mare putere”, că mașina cu abur a fost inventată de mecanicul iobag rus Ivan Polzunov, și nu de un James Watt, al cărui rol în crearea mașinilor cu abur putea fi uneori citit în „ cărți greșite cu punctul de vedere al cărților patriotice. Dar, de fapt, inventatorul mașinii cu abur nu este Ivan Polzunov, nici James Watt, ci inginerul englez Thomas Newcomen (1663-1729).
Mai mult, prima încercare de a pune aburi în slujba omului a fost făcută în Anglia în 1698 de către inginerul militar Thomas Savery (Thomas Savery, 1650?-1715). El a creat un lift cu apă cu abur, destinat drenării minelor și pompării apei, și care a devenit prototipul unui motor cu abur.
Mașina lui Savery a funcționat după cum urmează: mai întâi, un rezervor etanș a fost umplut cu abur, apoi suprafața exterioară a rezervorului a fost răcită cu apă rece, făcând condensarea aburului și creând un vid parțial în rezervor. După aceasta, apa, de exemplu, din partea inferioară a arborelui a fost aspirată în rezervor prin conducta de admisie și, după ce a fost introdusă următoarea porțiune de abur, a fost aruncată prin conducta de evacuare. Ciclul a fost apoi repetat, dar apa a putut fi ridicată doar de la o adâncime mai mică de 10,36 m, deoarece presiunea atmosferică a fost de fapt cea care a împins-o afară.
Această mașină nu a avut mare succes, dar ia dat lui Papen ideea strălucitoare de a înlocui praful de pușcă cu apă. Și în 1698 a construit o mașină cu abur (în același an, englezul Savery și-a construit și „mașina de pompieri”). Apa a fost încălzită în interiorul unui cilindru vertical cu un piston în interior, iar aburul rezultat a împins pistonul în sus. Pe măsură ce aburul s-a răcit și s-a condensat, pistonul s-a deplasat în jos sub influența presiunii atmosferice. Astfel, printr-un sistem de blocuri, mașina lui Papen ar putea antrena diverse mecanisme, precum pompe.
Inventatorul englez Thomas Newcomen (1663 - 1729) era familiarizat cu motoarele cu abur ale lui Savery și Papen, care vizitau adesea minele din Țara de Vest, unde lucra ca fierar și, prin urmare, înțelegea bine cât de fiabile erau necesare pompe pentru prevenirea minelor. de la inundații. El și-a unit forțele cu instalatorul și sticlarul John Culley în încercarea de a construi un model mai bun. Primul lor motor cu abur a fost instalat într-o mină din Staffordshire în 1712.
Ca și în mașina lui Papen, pistonul se mișca într-un cilindru vertical, dar în general mașina lui Newcomen era mult mai avansată. Pentru a elimina golul dintre cilindru și piston, Newcomen a atașat un disc flexibil din piele la capătul acestuia din urmă și a turnat puțină apă pe el.
Aburul din cazan a intrat în baza cilindrului și a ridicat pistonul în sus. Când apă rece a fost injectată în cilindru, aburul s-a condensat, s-a format un vid în cilindru și, sub influența presiunii atmosferice, pistonul a căzut. Această cursă inversă a îndepărtat apa din cilindru și, printr-un lanț conectat la un culbutor care se mișca ca un leagăn, a ridicat tija pompei. Când pistonul se afla la partea inferioară a cursei sale, aburul a intrat din nou în cilindru și, cu ajutorul unei contragreutate atașate la tija pompei sau culbutorul, pistonul s-a ridicat în poziția inițială. După aceasta, ciclul s-a repetat.
Mașina lui Newcomen s-a dovedit a fi extrem de succes pentru acea perioadă și a fost folosită în toată Europa timp de mai bine de 50 de ani. A fost folosit pentru pomparea apei din numeroase mine din Marea Britanie. Acesta a fost primul produs la scară largă din istoria tehnologiei (au fost produse câteva mii de piese).
În 1740, o mașină cu un cilindru de 2,74 m lungime și 76 cm în diametru a finalizat într-o zi munca pe care echipe de 25 de bărbați și 10 cai, lucrând în schimburi, o finalizaseră anterior într-o săptămână.
În 1775, o mașină și mai mare construită de John Smeaton (creatorul farului Eddystone) a drenat docul de la Kronstadt, Rusia, în două săptămâni. Anterior, folosind turbine eoliene înalte, acest lucru dura un an întreg.
Și totuși, mașina lui Newcomen era departe de a fi perfectă. A transformat doar aproximativ 1% din energia termică în energie mecanică și, ca urmare, a consumat o cantitate uriașă de combustibil, care, totuși, nu a contat prea mult atunci când mașina lucra în minele de cărbune.
În general, mașinile Newcomen au jucat un rol important în conservarea industriei cărbunelui. Cu ajutorul lor, a fost posibilă reluarea exploatării cărbunelui în multe mine inundate.
Se poate spune despre invenția lui Newcomen că a fost cu adevărat un motor cu abur, sau mai degrabă, un motor cu abur atmosferic. S-a distins de prototipurile anterioare de motoare cu abur prin următoarele:
* forța motrice în ea era presiunea atmosferică, iar rarefacția a fost realizată prin condensarea aburului;
* în cilindru era un piston, care făcea o cursă de lucru sub influența aburului;
* vidul a fost realizat ca urmare a condensării aburului atunci când apă rece a fost injectată în cilindru.
Prin urmare, de fapt, inventatorul mașinii cu abur este pe bună dreptate englezul Thomas Newcomen, care și-a dezvoltat motorul cu abur și atmosferă în 1712 (cu jumătate de secol înainte de Watt).
Făcând o scurtă excursie în istoria creării motoarelor cu abur, nu se poate ignora personalitatea remarcabilului nostru compatriot Ivan Ivanovici Polzunov (1729-1766), care a construit un motor cu abur atmosferic înaintea lui James Watt. Fiind mecanic la uzinele miniere Kolyvano-Voskresensky din Altai, la 25 aprilie 1763, el a propus un proiect și descrierea unei „mașini de acționare a focului”. Proiectul a ajuns pe masa șefului fabricilor, care l-a aprobat și l-a trimis la Sankt Petersburg, de unde a venit în scurt timp răspunsul: „... Această invenție a lui ar trebui onorată ca o nouă invenție”.
Polzunov a propus să construiască mai întâi o mașină mică, pe care să fie posibilă identificarea și eliminarea tuturor deficiențelor inevitabile într-o nouă invenție. Conducerea fabricii nu a fost de acord cu acest lucru și a decis să construiască imediat o mașină uriașă pentru o suflantă puternică. În aprilie 1764, Polzunov a început construcția unei mașini de 15 ori mai puternică decât proiectul din 1763.
El a luat ideea unui motor cu abur atmosferic din cartea lui I. Schlatter „Instrucțiuni detaliate pentru minerit...” (Sankt Petersburg, 1760).
Dar motorul lui Polzunov era fundamental diferit de mașinile engleze ale lui Savery și Newcomen. Erau cu un singur cilindru și potrivite doar pentru pomparea apei din mine. Motorul continuu cu doi cilindri al lui Polzunov ar putea furniza explozie la cuptor și pompa apă. Pe viitor, inventatorul spera să-l adapteze pentru alte nevoi.
Construcția mașinii a fost încredințată lui Polzunov, pentru a-i ajuta pe care i-au fost repartizați „doi dintre artizanii locali care nu știu, dar au o singură înclinație pentru aceasta”, și mai mulți muncitori auxiliari. Cu acest „personal” Polzunov a început să-și construiască mașina. A fost nevoie de un an și nouă luni pentru a construi. Când aparatul trecuse deja primul test, inventatorul s-a îmbolnăvit de un consum trecător și a murit la 16 (28) mai 1766, cu câteva zile înainte de testele finale.
Pe 23 mai 1766, elevii lui Polzunov, Levzin și Cernițîn, au început singuri testele finale ale mașinii cu abur. „Nota de zi” din 4 iulie a notat „funcționarea lină a mașinii”, iar la 7 august 1766, întreaga uzină, motorul cu abur și suflantul puternic au fost puse în funcțiune. În doar trei luni de funcționare, mașina lui Polzunov nu numai că a justificat toate costurile construcției sale în valoare de 7233 ruble 55 copeici, dar a oferit și un profit net de 12640 ruble 28 copeici. Cu toate acestea, la 10 noiembrie 1766, după ce cazanul motorului a ars, acesta a stat inactiv timp de 15 ani, 5 luni și 10 zile. În 1782 mașina a fost dezmembrată. (Enciclopedia Teritoriului Altai. Barnaul. 1996. T. 2. P. 281-282; Barnaul. Cronica oraşului. Barnaul. 1994. partea 1. p. 30).
În același timp, James Watt lucra la crearea unui motor cu abur în Anglia. În 1763, el, în calitate de mecanic universitar, i s-a cerut să repare modelul universitar al motorului cu abur al lui T. Newcomen.
În timp ce depana modelul universitar al mașinii cu abur și atmosferă a lui T. Newcomen, Watt s-a convins de eficiența scăzută a unor astfel de mașini. I-a venit ideea de a îmbunătăți parametrii motorului cu abur. Era clar pentru el că principalul dezavantaj al mașinii lui Newcomen era încălzirea și răcirea alternantă a cilindrului. Cum poate fi evitat acest lucru? Răspunsul i-a venit lui Watt într-o duminică de primăvară a anului 1765. El și-a dat seama că cilindrul ar putea rămâne constant fierbinte dacă aburul era deviat într-un rezervor separat printr-o conductă cu o supapă înainte de condensare. În acest caz, transferul procesului de condensare a aburului în afara cilindrului ar trebui să contribuie la reducerea consumului de abur. Mai mult, cilindrul poate rămâne fierbinte, iar condensatorul rece dacă exteriorul lor este acoperit cu material izolator.
Îmbunătățirile pe care Watt le-a adus motorului cu abur (regulator centrifugal, condensator separat de abur, etanșări etc.) nu numai că au crescut eficiența mașinii, dar au transformat în cele din urmă motorul cu abur și atmosferă într-un motor cu abur și, cel mai important, mașina a devenit ușor de controlat.
În 1768 a cerut un brevet pentru invenția sa. A primit un brevet în 1769, dar multă vreme nu a putut să construiască o mașină cu abur. Și abia în 1776, cu sprijinul financiar al doctorului Rebeck, fondatorul primei fabrici metalurgice din Scoția, motorul cu abur al lui Watt a fost în sfârșit construit și testat cu succes.
Prima mașină a lui Watt s-a dovedit a fi de două ori mai eficientă decât cea a lui Newcomen. Interesant este că evoluțiile care au urmat invenției inițiale a lui Newcomen s-au bazat pe conceptul de „capacitate” a motorului, ceea ce însemna numărul de kilograme-picior de apă care au fost pompate per bushel de cărbune. Acum nu se știe cine a venit cu ideea acestei unități. Acest om nu a intrat în istoria științei, dar era probabil un proprietar de mină cu pumnii strâns care a observat că unele motoare funcționau mai eficient decât altele și nu putea permite minei vecine să aibă o rată de producție mai mare.
Și, deși testele mașinii au avut succes, în timpul funcționării ulterioare a devenit clar că primul model al lui Watt nu a avut succes în totalitate, iar cooperarea cu Rebeck a fost întreruptă. În ciuda lipsei de fonduri, Watt a continuat să lucreze la îmbunătățirea motorului cu abur. Munca sa a atras interesul lui Matthew Boulton, un inginer și producător bogat, proprietar al unei fabrici de prelucrare a metalelor din Soho, lângă Birmingham. În 1775, Watt și Boulton au încheiat un acord de parteneriat.
În 1781, James Watt a primit un brevet pentru invenția celui de-al doilea model al mașinii sale. Printre inovațiile introduse în acesta și modelele ulterioare au fost:
* un cilindru cu dublă acțiune, în care aburul era furnizat alternativ pe părțile opuse ale pistonului, în timp ce aburul de evacuare pătrundea în condensator;
* o cămașă de căldură care înconjoară cilindrul de lucru pentru a reduce pierderile de căldură și o bobină;
* transformarea mișcării alternative a pistonului în mișcarea de rotație a arborelui, mai întâi printr-un mecanism bielă-manivelă, iar apoi folosind o transmisie cu roți dințate, care a fost prototipul unei cutii de viteze planetare;
* regulator centrifugal pentru a menține o viteză constantă a arborelui și un volant pentru a reduce rotația neuniformă.
În 1782 a fost construită această mașină remarcabilă, primul motor cu abur universal „cu dublă acțiune”. Watt a echipat capacul cilindrului cu o garnitură de ulei recent inventată, care asigura mișcarea liberă a tijei pistonului, dar împiedica scurgerea aburului din cilindru. Aburul a intrat în cilindru alternativ dintr-o parte a pistonului și apoi din cealaltă, creând un vid pe partea opusă a cilindrului. Prin urmare, pistonul a realizat atât cursa de lucru, cât și cursa de retur cu ajutorul aburului, ceea ce nu era cazul la mașinile anterioare.
De asemenea, în 1782, James Watt a introdus principiul acțiunii de expansiune, împărțind fluxul de abur într-un cilindru la începutul curgerii acestuia, astfel încât acesta a început să extindă restul ciclului sub propria presiune. Acțiunea de expansiune înseamnă o oarecare pierdere de putere, dar un câștig în „performanță”. Dintre toate aceste idei, cea mai utilă a lui Watt a fost aceea a acțiunii expansioniste. În implementarea sa practică ulterioară, diagrama indicator creată în jurul anului 1790 de asistentul lui Watt James Southern a fost de mare ajutor.
Indicatorul era un dispozitiv de înregistrare care putea fi atașat la motor pentru a înregistra presiunea din cilindru în funcție de volumul de abur care intra în timpul unei curse date. Aria de sub o astfel de curbă a fost o măsură a muncii efectuate într-un anumit ciclu. Indicatorul a fost folosit pentru a regla motorul cât mai eficient posibil. Această diagramă a devenit mai târziu parte a celebrului ciclu Carnot (Sadi Carnot, 1796-1832) în termodinamică teoretică.
Întrucât într-un motor cu abur cu dublă acțiune tija pistonului efectuează o acțiune de tragere și împingere, sistemul anterior de antrenare al lanțurilor și culbutorilor, care răspundea doar la tracțiune, a trebuit să fie reproiectat. Watt a dezvoltat un sistem de tije cuplate și a folosit un mecanism planetar pentru a converti mișcarea alternativă a tijei pistonului în mișcare de rotație, a folosit un volant greu, un regulator de viteză centrifugal, o supapă cu disc și un manometru pentru a măsura presiunea aburului.
Motorul cu abur universal cu dublă acțiune cu rotație continuă (motorul cu abur al lui Watt) s-a răspândit și a jucat un rol semnificativ în trecerea la producția de mașini.
„Mașina rotativă cu abur” brevetată de James Watt a fost utilizată mai întâi pe scară largă pentru a conduce mașini și războaie de țesut ale fabricilor de filare și țesut, iar mai târziu alte întreprinderi industriale. Acest lucru a dus la o creștere bruscă a productivității muncii. Din acest moment britanicii au numărat începutul marii revoluții industriale, care a adus Anglia pe o poziție de lider în lume.
Motorul lui James Watt era potrivit pentru orice mașină, iar inventatorii mecanismelor autopropulsate s-au grăbit să profite de acest lucru. Așa s-a ajuns la transportul mașinii cu abur (barca cu aburi a lui Fulton, 1807; locomotiva cu abur a lui Stephenson, 1815). Datorită avantajului său în mijloacele de transport, Anglia a devenit puterea principală a lumii.
În 1785, Watt a brevetat invenția unui nou cuptor cu boiler și, în același an, una dintre mașinile lui Watt a fost instalată la Londra la fabrica de bere a lui Samuel Whitbread pentru măcinarea malțului. Mașina a făcut treaba în loc de 24 de cai. Diametrul cilindrului său a fost de 63 cm, cursa pistonului a fost de 1,83 m, iar diametrul volantului a ajuns la 4,27 m. Mașina a supraviețuit până în zilele noastre, iar astăzi poate fi văzută în acțiune la Muzeul Powerhouse din Sydney.
Compania Boulton and Watt, creată în 1775, a trecut prin toate vicisitudinile destinului, de la o scădere a cererii pentru produsele sale până la protecția drepturilor sale de invenție în instanțe. Cu toate acestea, din 1783, afacerile acestei companii, care monopoliza producția de mașini cu abur, au mers în sus. Așa că James Watt a devenit un om foarte bogat, iar Watt a oferit asistență foarte, foarte semnificativă Institutului Medical Pneumatic Thomas Beddoes (Beddoes, Thomas, 1760-1808), cu care a început să colaboreze în acest moment.
În ciuda activității sale viguroase în crearea de mașini cu abur, Watt s-a retras din funcția sa la Universitatea din Glasgow abia în 1800. La 8 ani de la demisie, a stabilit „Premiul Watt” pentru cei mai buni studenți și profesori ai universității. Laboratorul tehnic universitar în care și-a început activitățile a început să-i poarte numele. Un colegiu din Greenock (Scoția), orașul natal al inventatorului, poartă și numele de James Watt.
Evoluția mașinii cu abur de J. Watt
1774 Steam
pompa de carter 1781 Motor cu abur
cu cuplu pe arbore 1784 Motor cu abur
acțiune dublă cu KShM
Este interesant că la un moment dat Watt a propus o astfel de unitate ca „cai putere” ca unitate de putere. Această unitate de măsură a supraviețuit până în zilele noastre. Dar în Anglia, unde Watt este venerat ca un pionier al revoluției industriale, au decis diferit. În 1882, Asociația Britanică a Inginerilor a decis să numească o unitate de putere după el. Acum numele James Watt poate fi citit pe orice bec. Aceasta a fost prima dată în istoria tehnologiei când o unitate de măsură a primit propriul nume. Din acest incident a început tradiția de a atribui nume proprii unităților de măsură.
Watt a trăit o viață lungă și a murit pe 19 august 1819 la Heathfield, lângă Birmingham. Pe monumentul lui James Watt este scris: „A crescut puterea omului asupra naturii”. Așa au evaluat contemporanii activitățile celebrului inventator englez.
Invenția motoarelor cu abur a reprezentat un punct de cotitură în istoria omenirii. Undeva, la începutul secolelor XVII-XVIII, a început înlocuirea muncii manuale ineficiente, a roților de apă și a mecanismelor complet noi și unice - motoarele cu abur. Datorită lor, revoluțiile tehnice și industriale și într-adevăr tot progresul omenirii au devenit posibile.
Dar cine a inventat motorul cu abur? Cui îi datorează omenirea asta? Și când a fost asta? Vom încerca să găsim răspunsuri la toate aceste întrebări.
Chiar înainte de epoca noastră
Istoria creării mașinii cu abur începe în primele secole î.Hr. Heron din Alexandria a descris un mecanism care a început să funcționeze numai atunci când a fost expus la abur. Dispozitivul era o minge pe care erau atașate duze. Aburul a ieșit tangențial din duze, făcând astfel motorul să se rotească. Acesta a fost primul dispozitiv care a fost alimentat cu abur.
Creatorul mașinii cu abur (sau mai bine zis, al turbinei) este Taghi al-Dinome (filozof, inginer și astronom arab). Invenția sa a devenit cunoscută pe scară largă în Egipt în secolul al XVI-lea. Mecanismul a fost proiectat după cum urmează: fluxurile de abur erau direcționate direct către mecanismul cu lame, iar atunci când se revărsa fum, lamele se roteau. Inginerul italian Giovanni Branca a propus ceva similar în 1629. Principalul dezavantaj al tuturor acestor invenții a fost consumul prea mare de abur, care, la rândul său, necesita cantități uriașe de energie și nu era practic. Evoluțiile au fost suspendate deoarece cunoștințele științifice și tehnice ale omenirii la acea vreme nu erau suficiente. În plus, nu era deloc nevoie de astfel de invenții.
Evoluții
Până în secolul al XVII-lea, crearea unei mașini cu abur a fost imposibilă. Dar, de îndată ce nivelul dezvoltării umane a crescut, primele copii și invenții au apărut imediat. Deși nimeni nu i-a luat în serios în acel moment. De exemplu, în 1663, un om de știință englez a publicat în presă un proiect al invenției sale, pe care l-a instalat în Castelul Raglan. Dispozitivul său servea la ridicarea apei pe zidurile turnurilor. Cu toate acestea, ca tot ce este nou și necunoscut, acest proiect a fost acceptat cu îndoială și nu au existat sponsori pentru dezvoltarea lui ulterioară.
Istoria creării unei mașini cu abur începe cu inventarea motorului cu abur și atmosferă. În 1681, un om de știință francez a inventat un dispozitiv care pompa apa din mine. La început, praful de pușcă a fost folosit ca forță motrice, iar apoi a fost înlocuit cu vapori de apă. Așa a apărut mașina de abur-atmosferă. Oamenii de știință din Anglia Thomas Newcomen și Thomas Severen au contribuit enorm la îmbunătățirea acestuia. Inventatorul rus autodidact Ivan Polzunov a oferit și el o asistență neprețuită.
Încercarea eșuată a lui Papen
Mașina abur-atmosferică, departe de a fi perfectă la acea vreme, a atras o atenție deosebită în domeniul construcțiilor navale. D. Papen și-a cheltuit ultimele economii pentru achiziționarea unui vas mic, pe care a început să instaleze o mașină de ridicare a apei cu abur și atmosferă de producție proprie. Mecanismul de acțiune a fost că, căzând de la înălțime, apa a început să rotească roțile.
Inventatorul și-a efectuat testele în 1707 pe râul Fulda. Mulți oameni s-au adunat să privească miracolul: o corabie care se deplasează de-a lungul râului fără pânze sau vâsle. Cu toate acestea, în timpul testelor, a avut loc un dezastru: motorul a explodat și mai multe persoane au murit. Autoritățile au fost supărate pe inventatorul nereușit și i-au interzis orice lucrare și proiecte. Nava a fost confiscată și distrusă, iar câțiva ani mai târziu Papen însuși a murit.
Eroare
Nava cu aburi Papen avea următorul principiu de funcționare. A fost necesar să turnați o cantitate mică de apă în fundul cilindrului. Sub cilindrul propriu-zis era un brazier, care servea la încălzirea lichidului. Când apa a început să fiarbă, aburul rezultat s-a extins și a ridicat pistonul. Aerul a fost împins afară din spațiul de deasupra pistonului printr-o supapă special echipată. După ce apa a fiert și a început să se reverse, a fost necesar să scoateți friteuza, să închideți robinetul pentru a elimina aerul și să folosiți apă rece pentru a răci pereții cilindrului. Datorită unor astfel de acțiuni, aburul din cilindru s-a condensat, s-a format un vid sub piston și, datorită forței presiunii atmosferice, pistonul a revenit la locul inițial. În timpul mișcării sale în jos s-a făcut o muncă utilă. Cu toate acestea, eficiența motorului cu abur al lui Papen a fost negativă. Motorul navei era extrem de neeconomic. Și cel mai important, era prea complex și incomod de utilizat. Prin urmare, invenția lui Papin nu a avut viitor încă de la început.
Urmaritori
Cu toate acestea, povestea creării motorului cu abur nu s-a încheiat aici. Următorul, mult mai de succes decât Papen, a fost savantul englez Thomas Newcomen. A studiat mult timp lucrările predecesorilor săi, concentrându-se pe punctele slabe. Și luând tot ce este mai bun din munca lor, și-a creat propriul aparat în 1712. Noul motor cu abur (foto prezentată) a fost proiectat astfel: a fost folosit un cilindru, care se afla în poziție verticală, precum și un piston. Newcomen a luat asta din opera lui Papin. Cu toate acestea, aburul s-a format deja într-un alt cazan. O piele solidă a fost asigurată în jurul pistonului, ceea ce a crescut semnificativ etanșeitatea în interiorul cilindrului de abur. Această mașină era și abur-atmosferică (apa se ridica din mină folosind presiunea atmosferică). Principalele dezavantaje ale invenției au fost volumul și ineficiența acesteia: mașina „mânca” o cantitate imensă de cărbune. Cu toate acestea, a adus mult mai multe beneficii decât invenția lui Papen. Prin urmare, a fost folosit timp de aproape cincizeci de ani în temnițe și mine. A fost folosit pentru pomparea apelor subterane și, de asemenea, pentru drenarea navelor. Am încercat să-mi transform mașina pentru a putea fi folosită pentru trafic. Cu toate acestea, toate încercările lui au fost fără succes.
Următorul om de știință care s-a anunțat a fost D. Hull din Anglia. În 1736, el a prezentat lumii invenția sa: o mașină cu abur și atmosferă, care avea ca propulsie roți cu zbaturi. Dezvoltarea lui a fost mai reușită decât a lui Papin. Mai multe astfel de nave au fost imediat eliberate. Erau folosite în principal pentru a tracta barje, nave și alte nave. Cu toate acestea, fiabilitatea motorului cu abur-atmosferic nu a inspirat încredere, iar navele erau echipate cu pânze ca principal dispozitiv de propulsie.
Și deși Hull a fost mai norocos decât Papin, invențiile sale și-au pierdut treptat relevanța și au fost abandonate. Cu toate acestea, mașinile cu abur și atmosferă din acea vreme aveau multe deficiențe specifice.
Istoria creării unui motor cu abur în Rusia
Următoarea descoperire a avut loc în Imperiul Rus. În 1766, la uzina metalurgică din Barnaul a fost creată prima mașină cu abur, care alimenta cuptoarele de topire cu aer cu ajutorul unor suflante speciale. Creatorul său a fost Ivan Ivanovici Polzunov, căruia i s-a acordat chiar un grad de ofițer pentru serviciile sale aduse patriei sale. Inventatorul le-a prezentat superiorilor săi desene și planuri pentru o „mașină de pompieri” capabilă să alimenteze burduful suflantei.
Cu toate acestea, soarta i-a jucat o glumă crudă lui Polzunov: la șapte ani după ce proiectul său a fost acceptat și mașina a fost asamblată, s-a îmbolnăvit și a murit de consum - cu doar o săptămână înainte de a începe testarea motorului său. Cu toate acestea, instrucțiunile lui au fost suficiente pentru a porni motorul.
Deci, la 7 august 1766, motorul cu abur al lui Polzunov a fost lansat și pus sub sarcină. Cu toate acestea, deja în noiembrie a aceluiași an s-a stricat. Motivul s-a dovedit a fi pereții prea subțiri ai cazanului, care nu era destinat încărcăturii. Mai mult, inventatorul a scris în instrucțiunile sale că acest cazan poate fi folosit doar în timpul testării. Producția unui nou cazan s-ar plăti cu ușurință, deoarece eficiența motorului cu abur al lui Polzunov a fost pozitivă. În 1023 de ore de muncă, cu ajutorul lui au fost topite peste 14 kilograme de argint!
Dar, în ciuda acestui fapt, nimeni nu a început să repare mecanismul. Motorul cu abur al lui Polzunov a adunat praf timp de mai bine de 15 ani într-un depozit, până când lumea industriei a stat pe loc și s-a dezvoltat. Și apoi a fost complet demontat pentru piese. Aparent, în acel moment Rusia nu se maturizase încă suficient pentru a folosi motoare cu abur.
Cererile vremii
Între timp, viața nu a stat pe loc. Și omenirea s-a gândit în mod constant la crearea unui mecanism care să ne permită să nu depindem de natura capricioasă, ci să ne controlăm propriul destin. Toată lumea dorea să abandoneze vela cât mai repede posibil. Prin urmare, problema creării unui mecanism cu abur era constant în aer. În 1753, la Paris a fost lansată o competiție între meșteri, oameni de știință și inventatori. Academia de Științe a anunțat o recompensă pentru oricine poate crea un mecanism care poate înlocui puterea vântului. Dar, în ciuda faptului că astfel de minți precum L. Euler, D. Bernoulli, Canton de Lacroix și alții au participat la competiție, nimeni nu a venit cu o propunere viabilă.
Anii au trecut. Iar revoluția industrială a cuprins tot mai multe țări. Primatul și conducerea printre alte puteri au mers invariabil în Anglia. Până la sfârșitul secolului al XVIII-lea, Marea Britanie a devenit creatorul unei industrie la scară largă, datorită căreia a câștigat titlul de monopol global în această industrie. Problema unui motor mecanic devenea din ce în ce mai presantă în fiecare zi. Și un astfel de motor a fost creat.
Primul motor cu abur din lume
Anul 1784 a fost un punct de cotitură pentru Anglia și lume în Revoluția Industrială. Iar omul responsabil pentru asta a fost mecanicul englez James Watt. Motorul cu abur creat de el a devenit cea mai faimoasă descoperire a secolului.
Timp de câțiva ani am studiat desenele, structura și principiile de funcționare ale mașinilor cu abur-atmosferă. Și pe baza tuturor acestora, a concluzionat că pentru ca motorul să funcționeze eficient, este necesară egalizarea temperaturilor apei din cilindru și a aburului care intră în mecanism. Principalul dezavantaj al mașinilor cu abur-atmosferă a fost nevoia constantă de a răci cilindrul cu apă. A fost scump și incomod.
Noul motor cu abur a fost proiectat diferit. Deci, cilindrul a fost închis într-o manta specială de abur. Astfel, Watt și-a atins starea de încălzire constantă. Inventatorul a creat un vas special scufundat în apă rece (condensator). Un cilindru era legat de el printr-o conductă. Când aburul s-a epuizat în cilindru, a trecut prin conductă în condensator și acolo s-a transformat înapoi în apă. În timp ce lucra la îmbunătățirea mașinii sale, Watt a creat un vid în condensator. Astfel, tot aburul care venea din cilindru era condensat în acesta. Datorită acestei inovații, procesul de expansiune a aburului a crescut foarte mult, ceea ce a făcut posibilă extragerea mult mai multă energie din aceeași cantitate de abur. A fost o realizare supremă.
Creatorul motorului cu abur a schimbat și principiul alimentării cu aer. Acum aburul a căzut mai întâi sub piston, ridicându-l astfel, apoi s-a colectat deasupra pistonului, coborându-l. Astfel, ambele curse ale pistonului din mecanism au devenit operaționale, ceea ce nici înainte nu era posibil. Iar consumul de cărbune pe cal putere a fost de patru ori mai mic decât, respectiv, cel al motoarelor cu abur-atmosferă, ceea ce a căutat James Watt. Motorul cu abur a cucerit foarte repede mai întâi Marea Britanie, apoi întreaga lume.
„Charlotte Dundas”
După ce întreaga lume a fost uimită de invenția lui James Watt, a început utilizarea pe scară largă a motoarelor cu abur. Așadar, în 1802, a apărut prima navă alimentată cu abur în Anglia - Charlotte Dundas. William Symington este considerat creatorul său. Barca a fost folosită pentru a tracta șlepuri de-a lungul canalului. Rolul de propulsie pe vas a fost jucat de o roata cu zbaturi montata pe pupa. Barca a trecut cu succes testele prima dată: a remorcat două barje uriașe de 18 mile în șase ore. În același timp, a fost foarte împiedicat de vântul în contra. Dar a reușit.
Și totuși a fost așternut pentru că se temeau că din cauza valurilor puternice care s-au creat sub roata cu zbaturi, malurile canalului să fie spălate. Apropo, omul pe care întreaga lume îl consideră astăzi creatorul primei nave cu aburi a fost prezent la testele lui Charlotte.
în lume
Încă din tinerețe, constructorul naval englez a visat la o navă cu motor cu abur. Și acum visul lui a devenit realizabil. La urma urmei, inventarea motoarelor cu abur a fost un nou impuls în construcțiile navale. Împreună cu trimisul american R. Livingston, care a preluat partea materială a problemei, Fulton a preluat proiectul unei nave cu motor cu abur. A fost o invenție complexă bazată pe ideea unei elice de vâsle. De-a lungul laturilor navei erau țigle pe rând, imitând multe vâsle. În același timp, plăcile au continuat să se amestece între ele și să se rupă. Astăzi putem spune cu ușurință că același efect ar fi putut fi obținut cu doar trei sau patru panouri. Dar din punctul de vedere al științei și tehnologiei de atunci, era nerealist să vedem asta. Prin urmare, constructorii naval au avut o perioadă mult mai dificilă.
În 1803, invenția lui Fulton a fost prezentată lumii întregi. Nava cu abur s-a deplasat încet și uniform de-a lungul Senei, lovind mințile și imaginația multor oameni de știință și personalități din Paris. Cu toate acestea, guvernul lui Napoleon a respins proiectul, iar constructorii de nave nemulțumiți au fost nevoiți să-și caute avere în America.
Și astfel, în august 1807, prima navă cu aburi din lume numită Claremont, care era propulsată de un motor puternic cu abur (foto prezentată), a navigat de-a lungul Golfului Hudson. Mulți pur și simplu nu au crezut în succes.
Claremont a pornit în călătoria sa inaugurală fără marfă și fără pasageri. Nimeni nu a vrut să călătorească la bordul unei nave care trage focul. Dar deja pe drumul de întoarcere a apărut primul pasager - un fermier local care a plătit șase dolari pentru bilet. A devenit primul pasager din istoria companiei de transport maritim. Fulton a fost atât de mișcat încât i-a oferit temerașului o viață gratuită cu toate invențiile sale.
Articol publicat 19.05.2014 05:36 Ultima modificare 19.05.2014 05:58Istoria dezvoltării motorului cu abur este descrisă suficient de detaliat în acest articol. Iată cele mai cunoscute soluții și invenții din 1672-1891.
Primele evoluții.
Să începem cu faptul că încă din secolul al XVII-lea, aburul a început să fie considerat un mijloc de acționare, s-au efectuat tot felul de experimente cu acesta și abia în 1643 Evangelista Torricelli a descoperit efectul de putere al presiunii aburului. Christian Huygens, 47 de ani mai târziu, a proiectat prima mașină de putere, alimentată de explozia de praf de pușcă într-un cilindru. Acesta a fost primul prototip de motor cu ardere internă. Mașina de admisie a apei a Abbot Hautefey se bazează pe un principiu similar. Curând, Denis Papin a decis să înlocuiască forța exploziei cu forța mai puțin puternică a aburului. În 1690 a construit primul motor cu abur, cunoscut și ca cazan de abur.
Constă dintr-un piston, care, cu ajutorul apei clocotite, s-a deplasat în sus în cilindru și, datorită răcirii ulterioare, a căzut din nou - așa a fost creată forța. Întregul proces s-a desfășurat în felul acesta: sub cilindru s-a așezat un cuptor, care a servit simultan ca boiler; Când pistonul era în poziția superioară, cuptorul s-a deplasat înapoi pentru a facilita răcirea.
Mai târziu, doi englezi, Thomas Newcomen și Cowley – unul fierar, celălalt geam – au îmbunătățit sistemul, separând cazanul și butelia și adăugând un rezervor cu apă rece. Acest sistem acționa prin supape sau robinete, una pentru abur și una pentru apă, care erau deschise și închise alternativ. Apoi englezul Bayton a reconstruit controlul supapei într-un control cu adevărat al ceasului.
Aplicarea motoarelor cu abur în practică.
Mașina lui Newcomen a devenit curând cunoscută peste tot și, în special, a fost îmbunătățită de sistemul cu dublă acțiune dezvoltat de James Watt în 1765. Acum Motor cu aburi s-a dovedit a fi suficient de complet pentru utilizarea în vehicule, deși datorită dimensiunilor sale era mai potrivit pentru instalații staționare. Watt și-a propus și invențiile sale în industrie; a construit și mașini pentru fabricile textile.
Prima mașină cu abur folosită ca mijloc de transport a fost inventată de francezul Nicolas Joseph Cugnot, inginer și strateg militar amator. În 1763 sau 1765, el a creat o mașină care putea transporta patru pasageri cu o viteză medie de 3,5 și o viteză maximă de 9,5 km/h. Prima încercare a fost urmată de o a doua - a apărut un vehicul care transporta arme. Desigur, a fost testat de militari, dar din cauza imposibilității funcționării pe termen lung (ciclul de funcționare continuă al noii mașini nu a depășit 15 minute), inventatorul nu a primit sprijinul autorităților și finanțatorilor. Între timp, motorul cu abur era îmbunătățit în Anglia. După mai multe încercări nereușite ale lui Moore, William Murdoch și William Symington bazate pe mașina lui Watt, a apărut vehiculul feroviar al lui Richard Travisick, comandat de o mină de cărbune din Țara Galilor. Un inventator activ a venit pe lume: din minele subterane s-a ridicat la pământ și în 1802 a introdus omenirii într-o mașină de pasageri puternică care atingea o viteză de 15 km/h pe teren plan și 6 km/h pe un deal.
Previzualizare - faceți clic pentru a mări.
Vehiculele alimentate cu abur au fost din ce în ce mai folosite în Statele Unite: Nathan Reed i-a surprins pe locuitorii din Philadelphia în 1790 cu model de mașină cu abur. Cu toate acestea, compatriotul său Oliver Evans a devenit și mai faimos, care paisprezece ani mai târziu a inventat vehiculul amfibiu. După războaiele napoleoniene, în timpul cărora „experimentele auto” nu au fost efectuate, lucrările au început din nou inventarea si perfectionarea motorului cu abur. În 1821 ar putea fi considerat perfect și destul de fiabil. De atunci, fiecare progres în vehiculele cu abur a contribuit cu siguranță la dezvoltarea viitoarelor automobile.
În 1825, Sir Goldsworth Gurney a organizat prima linie de pasageri pe o secțiune de 171 km de la Londra la Bath. În același timp, a folosit o trăsură pe care a brevetat-o, care avea un motor cu abur. Aceasta a marcat începutul erei vagoanelor rutiere de mare viteză, care însă au dispărut în Anglia, dar s-au răspândit în Italia și Franța. Asemenea vehicule au atins cea mai mare dezvoltare odată cu apariția în 1873 a „Reverance” a lui Amédée Ballet cu o greutate de 4500 kg și a „Mancel” - unul mai compact, cântărind puțin peste 2500 kg și atingând o viteză de 35 km/h. Ambii au fost prevestitori ai tipului de tehnologie de performanță care a devenit caracteristică primelor mașini „adevărate”. În ciuda vitezei mari randamentul motorului cu abur era foarte mic. Bolle a fost cel care a patentat primul sistem de direcție care funcționează bine și a aranjat atât de bine elementele de comandă și control, încât îl putem vedea și astăzi pe panoul de bord.
Previzualizare - faceți clic pentru a mări.
În ciuda progresului extraordinar în dezvoltarea motorului cu ardere internă, puterea aburului a asigurat încă o funcționare mai uniformă și mai lină a mașinii și, prin urmare, a avut mulți susținători. La fel ca Bolle, care a construit alte mașini ușoare, precum Rapide în 1881 cu o viteză de 60 km/h, Nouvelle în 1873, care avea o punte față cu suspensie independentă, Leon Chevrolet a lansat mai multe mașini între 1887 și 1907 cu un generator de abur ușor și compact, patentat de el în 1889. De Dion-Bouton, fondată la Paris în 1883, a produs mașini alimentate cu abur în primii zece ani de existență și a obținut un succes semnificativ în acest sens - mașinile sale au câștigat cursa Paris-Rouen în 1894.
Previzualizare - faceți clic pentru a mări.
Succesul lui Panhard et Levassor în utilizarea benzinei a dus, însă, la faptul că De Dion a trecut la motoarele cu ardere internă. Când frații Bolle au preluat compania tatălui lor, au făcut același lucru. Apoi Chevrolet și-a reconstruit producția. Mașinile cu abur au dispărut de la orizont din ce în ce mai repede, deși erau folosite în Statele Unite încă dinainte de 1930. Chiar în acest moment producția s-a oprit și inventarea motoarelor cu abur
