✖


Jump to content

История парового двигателя

(Перенаправлено с двигателя Портера-Аллена )
Эта статья об истории паровой машины поршневого типа. О параллельной разработке двигателей турбинного типа см. Паровая турбина .
Основная статья: Паровой двигатель
1698 года Паровой насос Savery — первое коммерчески успешное устройство с паровым приводом, построенное Томасом Савери.

[1] Первым зарегистрированным элементарным паровым двигателем был эолипил, упомянутый Витрувием между 30 и 15 годами до нашей эры и описанный Героном Александрийским I века в Римском Египте . [2] Несколько устройств с паровым приводом были позже экспериментированы или предложены, такие как Таки ад-Дина , паровой домкрат паровая турбина 16-го века в Османском Египте , Дени Папена рабочая модель парового варочного котла Томаса Савери в 1679 году и паровой насос . в Англии XVII века. В 1712 году Томаса Ньюкомена стал атмосферный двигатель первым коммерчески успешным двигателем, использующим принцип поршня и цилиндра, который был основным типом паровой машины, использовавшейся до начала 20 века. Паровая машина использовалась для откачки воды из угольных шахт.

Во время революции промышленной паровые двигатели начали заменять энергию воды и ветра и в конечном итоге стали доминирующим источником энергии в конце 19 века и оставались таковыми до первых десятилетий 20 века, когда появились более эффективные паровые турбины и двигатели внутреннего сгорания. двигателя привело к быстрой замене паровых машин. Паровая турбина стала наиболее распространенным методом привода электрогенераторов. [3] Проводятся исследования практических возможностей возрождения поршневого парового двигателя как основы новой волны передовых паровых технологий .

Прекурсоры

[ редактировать ]

Раннее использование энергии пара

[ редактировать ]
См. Также: Эолипил и Паровой Джек.
Эолипил .

Первым, кто использовал пар как способ преобразования тепла в движение, был Архит , который приводил в движение деревянную птицу по проводам, используя пар в качестве топлива около 400 г. до н.э. [4] [5] [6] [7] Самый ранний известный элементарный паровой двигатель и реакционная паровая турбина , эолипил , описан математиком и инженером по имени Герон Александрийский I века в Римском Египте , как записано в его рукописи Spiritalia seu Pneumatica . [8] [9]

То же самое устройство было упомянуто Витрувием в «De Architectura» около 100 лет назад. Пар, выбрасываемый по касательной из сопел, заставлял вращающийся шар вращаться. Это говорит о том, что преобразование давления пара в механическое движение было известно в Римском Египте еще в I веке, однако его тепловой КПД был невысок. Герон также изобрел машину, которая использовала воздух, нагретый в огне алтаря, для вытеснения некоторого количества воды из закрытого сосуда. Вес воды был направлен на то, чтобы натянуть спрятанную веревку, открывающую двери храма. [9] [10] Некоторые историки объединили эти два изобретения, ошибочно утверждая, что эолипил способен выполнять полезную работу. [ нужна ссылка ]

По словам Уильяма Малмсберийского , в 1125 году в Реймсе находилась церковь, в которой был орган, приводимый в движение воздухом, выходящим из сжатия «нагретой водой», очевидно, спроектированный и построенный профессором Гербертом. [9] [11]

Среди документов Леонардо да Винчи, датируемых концом 15-го века, есть проект паровой пушки под названием Architonnerre , которая работает за счет внезапного притока горячей воды в запечатанную, раскаленную пушку. [12]

Простейшая ударная паровая турбина была описана в 1551 году Таки ад-Дином , философом , астрономом и инженером XVI века из Османского Египта , который описал метод вращения вертела с помощью струи пара, играющей на вращающихся лопастях по периферии вертела. колесо. Подобное устройство для вращения вертела позднее было описано Джоном Уилкинсом в 1648 году. [13] Эти устройства тогда назывались «мельницами», но теперь известны как паровые домкраты . Другая подобная элементарная паровая турбина показана итальянским инженером Джованни Бранка в 1629 году для поворота цилиндрического спускового устройства, которое поочередно поднимало и опускало пару пестиков, работающих в ступках. [14] Однако поток пара в этих первых паровых турбинах не был концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях. Это привело бы к большой трате энергии, поэтому их промышленное использование никогда серьезно не рассматривалось.

В 1605 году французский математик Давид Риво де Флеранс в своем трактате об артиллерии написал о своем открытии, что вода, если она заключена в бомбу и нагрета, может взорвать снаряды. [15]

В 1606 году испанец Херонимо де Аянс-и-Бомон продемонстрировал и получил патент на водяной насос с паровым приводом. Насос успешно использовался для осушения затопленных шахт Гуадалканала в Испании . [16]

В 1679 году французский физик Дени Папен изобрел паровой варочный котел (скороварку), который использовался для извлечения жиров из костей в среде высокого давления, а затем также для создания костной муки .

Разработка коммерческого парового двигателя

[ редактировать ]

«Открытия, которые, сделанные Томасом Ньюкоменом в 1712 году, привели к созданию парового двигателя, были:» [17]

  • Понятие вакуума (т.е. снижение давления ниже окружающего)
  • Понятие давления
  • Техники создания вакуума
  • Средство для получения пара
  • Поршень и цилиндр

В конце 15-го века итальянский эрудит, инженер, художник и архитектор Леонардо да Винчи написал статьи, в которых описывался Architonnerre , паровая пушка , которая использовала среду высокого давления для запуска больших и тяжелых снарядов с невероятной силой. Конструкция да Винчи напоминала оригинальную пушку с длинной цилиндрической трубкой на одном конце, используемой для правильного прицеливания снаряда, а на другом конце - большой камерой, которая использовалась для нагрева воды в пар, и когда она была готова к выстрелу, помещался небольшой колпачок. плотно прижавшись к отверстию в верхней части пушки, что вызвало быстрое накопление пара и создание среды очень высокого давления, что привело к движению снаряда с огромной силой к цели. Architonnerre был разработан для стрельбы снарядом весом в один римский талант . Многие из принципов, использованных да Винчи для Архитоннера, позже были использованы при разработке парового двигателя.

В 1643 году Евангелиста Торричелли провел эксперименты с всасывающими водяными насосами, чтобы проверить их предел, который составлял около 32 футов. (Атмосферное давление составляет 32,9 фута или 10,03 метра. Давление паров воды снижает теоретическую высоту подъема.) Он разработал эксперимент с использованием трубки, наполненной ртутью и перевернутой в чаше с ртутью ( барометр ), и наблюдал пустое пространство над столбом ртути. ртуть, которая, по его теории, не содержала ничего, то есть вакуума. [18]

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 соединили вместе и откачали воздух. Грузы, привязанные к полусферам, не могли их разъединить, пока не откроется воздушный клапан. Эксперимент был повторен в 1656 году с использованием двух упряжек по 8 лошадей в каждой, которые не смогли разделить Магдебургские полушария . [18]

Гаспар Шотт был первым, кто описал эксперимент с полушарием в своей «Гидравлико-пневматической механике» (1657 г.). [18]

Прочитав книгу Шотта, Роберт Бойль построил улучшенный вакуумный насос и провел соответствующие эксперименты. [18]

Дени 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 сделал презентацию Королевскому обществу в 1689 году. С 1690 года Папен начал экспериментировать с поршнем для получения энергии с помощью пара, создавая модели паровых двигателей. Он экспериментировал с паровыми двигателями под атмосферным давлением и давлением, опубликовав свои результаты в 1707 году. [18]

В 1663 году Эдвард Сомерсет, 2-й маркиз Вустер, опубликовал книгу из 100 изобретений, в которой описывался метод подъема воды между этажами, использующий принцип, аналогичный принципу кофеварки . Его система была первой, которая отделила котел (нагретый ствол пушки) от насосного действия. В армированную бочку подавалась вода из цистерны, а затем открывался клапан для пропуска пара из отдельного котла. Давление поднялось над водой, заставляя ее подниматься по трубе. [19] Он установил свое паровое устройство на стене Великой башни в замке Раглан для подачи воды через башню. Пазы в стене, где был установлен двигатель, можно было увидеть еще в XIX веке. Однако никто не был готов рисковать деньгами ради такой революционной концепции, и без поддержки машина так и осталась неразработанной. [18] [20]

Сэмюэл Морланд , математик и изобретатель, работавший над насосами, оставил в Управлении постановлений 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. В течение ряда лет они использовались для эксплуатации в условиях малой мощности. [18]

Томас Ньюкомен был торговцем, торговавшим чугунными товарами. Двигатель Ньюкомена был основан на конструкции поршня и цилиндра, предложенной Папеном. В двигателе Ньюкомена пар конденсировался водой, распыляемой внутри цилиндра, заставляя атмосферное давление перемещать поршень. Первый двигатель Ньюкомена был установлен для перекачки в шахте в 1712 году в замке Дадли в Стаффордшире. [18]

Цилиндры

[ редактировать ]
Конструкция Дени Папена поршневого 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 совместно с голландским физиком Христианом Гюйгенсом разработал двигатель, который вытеснял воздух из цилиндра путем взрыва пороха внутри него. Осознав неполноту вакуума, создаваемого этим способом, и переехав в Англию в 1680 году, Папен разработал версию того же цилиндра, который обеспечивал более полный вакуум за счет кипящей воды, а затем позволял пару конденсироваться; таким образом он смог поднимать тяжести, прикрепив конец поршня к веревке, проходящей через шкив. В качестве демонстрационной модели система работала, но для повторения процесса пришлось разобрать и собрать весь аппарат. Папен быстро понял, что для автоматического цикла пар необходимо генерировать отдельно в котле; однако он не стал развивать проект дальше. Папен также сконструировал байдарку, приводимую в движение реактивным двигателем, играющим на мельничном колесе, в сочетании концепций Таки аль-Дина и Савери, и ему также приписывают ряд значительных устройств, таких как предохранительный 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

[ редактировать ]
Основная статья: Томас Савери

Первой паровой машиной, примененной в промышленности, была «пожарная машина» или «Друг шахтера», разработанная Томасом Савери в 1698 году. Это был беспоршневой паровой насос, аналогичный тому, который разработал Вустер. Савери внес два ключевых вклада, которые значительно повысили практичность конструкции. Во-первых, чтобы разместить источник воды под двигателем, он использовал конденсированный пар для создания частичного вакуума в насосном резервуаре (бочка в примере Вустера) и использовал его для вытягивания воды вверх. Во-вторых, чтобы быстро охладить пар и создать вакуум, он облил резервуар холодной водой.

Для работы потребовалось несколько клапанов; в начале цикла, когда резервуар был пуст, клапан открывался для впуска пара. Этот клапан будет закрыт, чтобы герметизировать резервуар, а клапан охлаждающей воды будет открыт для конденсации пара и создания частичного вакуума. Затем открывался подающий клапан, втягивая воду вверх в резервуар; типичный двигатель мог поднимать воду на глубину до 20 футов. [21] Затем его закрыли, и паровой клапан снова открылся, создавая давление на воду и перекачивая ее вверх, как в конструкции Вустера. Этот цикл по существу удвоил расстояние, на которое можно было перекачать воду при любом заданном давлении пара, а производственные примеры поднимали воду примерно на 40 футов. [21]

Двигатель Савери решил проблему, которая лишь недавно стала серьезной; подъем воды из шахт на юге Англии, когда они достигли большей глубины. Двигатель Савери был несколько менее эффективным, чем двигатель Ньюкомена, но это компенсировалось тем фактом, что отдельный насос, используемый двигателем Ньюкомена, был неэффективен, что давало двум двигателям примерно одинаковую эффективность - 6 миллионов футов фунтов на бушель угля (менее 1 %). [22] Двигатель Савери также не был очень безопасным, потому что для части его цикла требовался пар под давлением, подаваемый котлом, а, учитывая технологии того периода, сосуд под давлением не мог быть сделан достаточно прочным и поэтому был подвержен взрыву. [23] Взрыв одного из его насосов в Брод-Уотерсе (недалеко от Веднсбери ) около 1705 года, вероятно, знаменует собой конец попыток использовать его изобретение. [24]

Двигатель Savery был дешевле двигателя Newcomen и производился в меньших размерах. [25] Некоторые строители производили улучшенные версии двигателя Savery до конца 18 века. [22] Бенто де Моура Португалия , FRS , представил гениальное улучшение конструкции Савери, «чтобы сделать ее способной работать самостоятельно», как описано Джоном Смитоном в «Философских трудах», опубликованных в 1751 году. [26]

Атмосферные конденсационные двигатели

[ редактировать ]

«Атмосферный» двигатель Ньюкомена

[ редактировать ]
Гравюра двигателя Ньюкомена. Похоже, это скопировано с рисунка из работы Дезагулье 1744 года: «Курс экспериментальной философии», который, как полагают, сам по себе представляет собой перевернутую копию гравюры Генри Бейтона, датированной 1717 годом, которая может представлять собой то, что, вероятно, является вторым двигателем Ньюкомена, установленным около 1714 года. на шахте Грифф, Уорикшир. [27]

Можно сказать , что именно Томас Ньюкомен со своим « атмосферным двигателем » 1712 года объединил воедино большинство основных элементов, установленных Папеном, для разработки первой практической паровой машины, на которую мог возникнуть коммерческий спрос. Он принял форму поршневого двигателя, установленного на уровне поверхности и приводящего в движение ряд насосов на одном конце балки. Двигатель, прикрепленный цепями с другого конца балки, работал по атмосферному, или вакуумному, принципу. [28]

В дизайне Ньюкомена использовались некоторые элементы более ранних концепций. Как и в конструкции Савери, двигатель Ньюкомена использовал пар, охлаждаемый водой, для создания вакуума. Однако, в отличие от насоса Савери, Ньюкомен использовал вакуум для притягивания поршня вместо того, чтобы напрямую втягивать воду. Верхний конец цилиндра был открыт для атмосферного давления, и когда образовался вакуум, атмосферное давление над поршнем вытолкнуло его вниз в цилиндр. Поршень смазывался и герметизировался струйкой воды из той же цистерны, из которой подавалась охлаждающая вода. Далее, чтобы улучшить охлаждающий эффект, он распылял воду непосредственно в цилиндр.

Анимация атмосферного двигателя Ньюкомена в действии
Animation of a Newcomen atmospheric engine in action

Поршень прикреплялся цепью к большой поворотной балке. Когда поршень тянул балку, другая сторона балки тянулась вверх. Этот конец был прикреплен к стержню, который тянул за ряд обычных ручек насосов в шахте. В конце рабочего хода паровой клапан снова открывался, и вес насосных штоков тянул балку вниз, 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 устранять необходимость в паре высокого давления. Вся система была изолирована от одного здания на поверхности. Хотя эти двигатели были неэффективными и чрезвычайно тяжелыми для угля (по сравнению с более поздними двигателями), они поднимали гораздо большие объемы воды и с большей глубины, чем это было возможно раньше. [23] К 1735 году по всей Англии было установлено более 100 двигателей Ньюкомена, а к 1800 году, по оценкам, в эксплуатации находилось около 2000 (включая версии Уатта).

Джон Смитон внес многочисленные улучшения в двигатель Ньюкомена, особенно в уплотнения, и, улучшив их, смог почти утроить его эффективность. Он также предпочитал использовать колеса вместо балок для передачи мощности от цилиндра, что делало 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 , необходимое для выполнения задачи, размер и скорость цилиндра, который ее обеспечит, размер котла, необходимого для его питания, 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 у себя дома в Осторпе в 1770 году. К тому времени, когда всего несколько лет спустя был представлен двигатель Уатта, Смитон построил десятки все более крупные двигатели мощностью до 100 л.с. [29]

Отдельный конденсатор Ватта

[ редактировать ]
Ранний насосный двигатель Ватта.

Работая в Университете Глазго изготовителем и ремонтником инструментов в 1759 году, Джеймс Уатт познакомился с силой пара профессором Джоном Робисоном . Очарованный, Уотт начал читать все, что мог, по этому вопросу и независимо разработал концепцию скрытой теплоты , совсем недавно опубликованную Джозефом Блэком в том же университете. Когда Уотт узнал, что университету принадлежит небольшая действующая модель двигателя Ньюкомена, он настоял на том, чтобы ее вернули из Лондона, где она безуспешно ремонтировалась. Ватт отремонтировал машину, но обнаружил, что даже после полного ремонта она практически не работает.

Поработав над проектом, Ватт пришел к выводу, что 80% пара, используемого двигателем, тратится впустую. Вместо создания движущей силы она использовалась для нагрева цилиндра. В конструкции Ньюкомена каждый рабочий ход начинался струей холодной воды, которая не только конденсировала пар, но и охлаждала стенки цилиндра. Это тепло необходимо было заменить, прежде чем цилиндр снова сможет принимать пар. В двигателе Ньюкомена тепло передавалось только паром, поэтому, когда паровой клапан снова открывался, подавляющее большинство тепла конденсировалось на холодных стенках, как только оно попадало в цилиндр. Потребовалось немало времени и пара, прежде чем цилиндр снова нагрелся и пар начал его заполнять.

Ватт решил проблему разбрызгивания воды, переведя холодную воду в другой цилиндр, расположенный рядом с силовым цилиндром. После завершения такта впуска между ними открывался клапан, и любой пар, попадавший в цилиндр, конденсировался внутри этого холодного цилиндра. Это создаст вакуум, который втянет больше пара в цилиндр, и так далее, пока пар не будет практически конденсирован. Затем клапан закрылся, и работа главного цилиндра продолжилась, как в обычном двигателе Ньюкомена. Поскольку силовой цилиндр все время оставался при рабочей температуре, система была готова к следующему такту, как только поршень возвращался вверх. Поддержание температуры осуществлялось рубашкой вокруг цилиндра, куда поступал пар. Ватт создал рабочую модель в 1765 году.

Убежденный, что это большой шаг вперед, Уотт заключил партнерские отношения, чтобы предоставить венчурный капитал, пока он работал над дизайном. Не удовлетворившись этим единственным улучшением, Ватт неустанно работал над рядом других улучшений практически каждой части двигателя. Уотт еще больше усовершенствовал систему, добавив небольшой вакуумный насос для вытягивания пара из цилиндра в конденсатор, что еще больше сократило время цикла. Более радикальным изменением конструкции Ньюкомена было закрытие верхней части цилиндра и подача пара низкого давления над поршнем. Теперь мощность была обусловлена ​​не разницей атмосферного давления и вакуума, а давлением пара и вакуума, несколько более высокой величины. При обратном ходе вверх пар, находящийся сверху, передавался через трубу на нижнюю часть поршня, где он конденсировался для хода вниз. Герметизация поршня двигателя Ньюкомена достигалась за счет сохранения небольшого количества воды на его верхней стороне. В двигателе Ватта это было уже невозможно из-за присутствия пара. Уотт приложил значительные усилия, чтобы найти работающую печать, которую в конечном итоге удалось получить с помощью смеси жира и масла. Шток поршня также прошел через Сальник на верхней крышке цилиндра загерметизирован аналогичным образом. [30]

Проблема с уплотнением поршня возникла из-за невозможности изготовить достаточно круглый цилиндр. Уотт попробовал расточить цилиндры из чугуна, но они оказались слишком некруглыми. Ватт был вынужден использовать кованый железный цилиндр. [31] Следующая цитата взята из Роу (1916):

«Когда [Джон] Смитон впервые увидел двигатель, он сообщил Обществу инженеров, что «не существует ни инструментов, ни рабочих, которые могли бы изготовить такую ​​сложную машину с достаточной точностью»» [31]

В конце концов Ватт счел конструкцию достаточно хорошей для выпуска в 1774 году, и двигатель Ватта был выпущен на рынок. Поскольку части конструкции можно было легко адаптировать к существующим двигателям Ньюкомена, не было необходимости строить на рудниках совершенно новый двигатель. Вместо этого Уотт и его деловой партнер Мэтью Бултон лицензировали улучшения для операторов двигателей, взимая с них часть денег, которые они сэкономят за счет снижения затрат на топливо. Конструкция имела огромный успех, и была создана компания Boulton and Watt , чтобы лицензировать конструкцию и помогать новым производителям создавать двигатели. Позже они открыли литейный завод в Сохо для производства собственных двигателей.

В 1774 году Джон Уилкинсон изобрел расточный станок, в котором вал, удерживающий расточный инструмент, поддерживается с обоих концов и проходит через цилиндр, в отличие от использовавшихся тогда консольных буров. С помощью этой машины он смог успешно расточить цилиндр для Бултона и Уатта в 1776 году. первого коммерческого двигателя [31]

Уотт никогда не переставал совершенствовать свои разработки. Это еще больше улучшило скорость рабочего цикла, представило регуляторы, автоматические клапаны, поршни двойного действия, разнообразные поворотные коробки отбора мощности и многие другие усовершенствования. Технология Уатта позволила широко использовать в коммерческих целях стационарные паровые машины. [32]

Хамфри Гейнсборо изготовил модель конденсационной паровой машины в 1760-х годах, которую показал Ричарду Ловеллу Эджворту , члену Лунного общества . Гейнсборо считал, что Ватт использовал его идеи для своего изобретения; [33] однако Джеймс Ватт не был членом Лунного общества в тот период, и его многочисленные отчеты, объясняющие последовательность мыслительных процессов, ведущих к окончательному проекту, имели тенденцию опровергать эту историю.

Мощность по-прежнему ограничивалась низким давлением, объемом цилиндра, скоростью сгорания и испарения, а также емкостью конденсатора. Максимальная теоретическая эффективность была ограничена относительно небольшой разницей температур по обе стороны поршня; это означало, что для того, чтобы двигатель Ватта обеспечивал полезную мощность, первые серийные двигатели должны были быть очень большими и, следовательно, их производство и установка были дорогими.

Двигатели двойного действия и ротационные двигатели Ватта.

[ редактировать ]
Дополнительная информация: Вращающийся лучевой двигатель.

Уатт разработал двигатель двойного действия, в котором пар приводил в движение поршень в обоих направлениях, тем самым увеличивая скорость и эффективность двигателя. Принцип двойного действия также значительно увеличил мощность двигателя данного физического размера. [34] [35]

Компания Boulton & Watt разработала поршневой двигатель роторного типа . В отличие от двигателя Ньюкомена, двигатель Уатта мог работать достаточно плавно, чтобы быть соединенным с приводным валом – через солнечную и планетарную шестерни – для обеспечения вращательной мощности вместе с конденсационными цилиндрами двойного действия. Самый ранний экземпляр был построен как демонстрационный и был установлен на заводе Бултона для работы на машинах для притирки (полировки) пуговиц и т.п. По этой причине его всегда называли Lap Engine . [36] [37] В ранних паровых машинах поршень обычно соединялся штоком с балансиром, а не напрямую с маховиком, поэтому эти двигатели известны как балочные двигатели .

Ранние паровые двигатели не обеспечивали достаточно постоянной скорости для таких важных операций, как прядение хлопка. Для контроля скорости двигатель использовался для перекачивания воды для водяного колеса, которое приводило в движение оборудование. [38] [39]

Двигатели высокого давления

[ редактировать ]

По мере развития XVIII века требовалось усиление давления; этому решительно 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 тогдашней технологии котлов, способу их изготовления и прочности используемых материалов.

Важными преимуществами двигателей высокого давления были:

  1. Их можно было бы сделать намного меньшими, чем раньше, для заданной выходной мощности. Таким образом, появилась возможность разработки паровых двигателей, которые были бы небольшими и достаточно мощными, чтобы приводить в движение себя и другие объекты. В результате паровая энергия для транспорта теперь стала практичной в виде кораблей и наземных транспортных средств, что произвело революцию в грузовом бизнесе, путешествиях, военной стратегии и, по сути, во всех аспектах жизни общества.
  2. Из-за меньшего размера они стоили гораздо дешевле.
  3. Им не требовалось значительное количество воды для охлаждения конденсатора, необходимое атмосферным двигателям.
  4. Их можно было бы спроектировать для работы на более высоких скоростях, что сделало бы 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 работой паровых двигателей высокого и низкого давления заключается в источнике силы, приводящей в движение поршень. В двигателях Ньюкомена и Ватта именно конденсация пара создает большую часть разницы давлений, вызывая атмосферное давление (Ньюкомен) и пар низкого давления, редко превышающего давление в котле 7 фунтов на квадратный дюйм. [40] плюс конденсаторный вакуум [41] (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 быть соединена с давлением конденсатора. Ньюкомена Индикаторная диаграмма , почти все ниже атмосферной линии, возродится почти 200 лет спустя, когда цилиндр низкого давления двигателей тройного расширения будет обеспечивать около 20% мощности двигателя, что снова почти полностью ниже атмосферной линии. [42]

Первым известным сторонником «сильного пара» был Якоб Леупольд в своей схеме двигателя, появившейся в энциклопедических трудах ок. 1725 . На протяжении столетия также появлялись различные проекты паровых лодок и транспортных средств, одним из наиболее многообещающих была конструкция Николя-Жозефа Кюньо , который продемонстрировал свой «фардье» (паровую повозку) в 1769 году. Хотя рабочее давление, используемое для этого транспортного средства, составляет неизвестно, небольшой размер котла обеспечивал недостаточную производительность пара, чтобы позволить фардье продвигаться более чем на несколько сотен метров за раз, прежде чем ему приходилось останавливаться для поднятия пара. Были предложены и другие проекты и модели, но, как и в случае с моделью Уильяма Мердока 1784 года, многие из них были заблокированы Бултоном и Уоттом.

Это не применялось в США, и в 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, курсировал по регулярному коммерческому маршруту по реке Делавэр между Филадельфией, штат Пенсильвания, и Берлингтоном, штат Нью-Джерси, на борту было до 30 пассажиров. Эта лодка обычно могла развивать скорость от 7 до 8 миль в час и за короткий срок службы прошла более 2000 миль (3200 км). Пароход Fitch не имел коммерческого успеха, поскольку этот маршрут был достаточно покрыт относительно хорошими дорогами для вагонов. В 1802 году Уильям Симингтон построил практичный пароход, а в 1807 году Роберт Фултон использовал паровую машину Уатта для привода первого коммерчески успешного парохода . [ нужна ссылка ]

Оливер Эванс, в свою очередь, был сторонником «сильного пара», который он применял в лодочных двигателях и в стационарных целях. Он был пионером цилиндрических котлов; тем не менее, котлы Эванса действительно пострадали от нескольких серьезных взрывов котлов, что усилило сомнения Уотта. Он основал компанию Pittsburgh Steam Engine Company в 1811 году в Питтсбурге , штат Пенсильвания. [43] Компания представила паровые двигатели высокого давления на речном судоходстве в водоразделе Миссисипи .

Первый паровой двигатель высокого давления был изобретен в 1800 году Ричардом Тревитиком . [44]

Важность поднятия пара под давлением (с термодинамической точки 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 при использовании вакуумного двигателя низкого давления. Таким образом, двигатель высокого давления стал основой для дальнейшего развития поршневой паровой технологии. Тем не менее, примерно в 1800 году «высокое давление» составляло то, что сегодня можно было бы считать 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 в движение исключительно расширяющейся силой пара, и как только этот пар совершил работу, он обычно истощался при давлении, превышающем атмосферное. Поток выходящего пара в дымоход можно использовать для создания тяги через каминную решетку и, таким образом, увеличения скорости горения, создавая больше тепла в печи меньшего размера за счет создания противодавления на выхлопной стороне дымохода. поршень.

21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидфиле в Южном Уэльсе был продемонстрирован первый самоходный железнодорожный паровой двигатель или паровоз, построенный Ричардом Тревитиком . [45]

Корнуоллский двигатель и компаундирование

[ редактировать ]
Основные статьи: Корнуоллский паровой двигатель и составной двигатель
Насосный двигатель Тревитика (корнуэльская система).

Примерно в 1811 году Ричарду Тревитику потребовалось обновить насосную машину Уатта, чтобы приспособить ее к одному из своих новых больших цилиндрических котлов Корнуолла . Когда Тревитик уехал в Южную Америку в 1816 году, его усовершенствования продолжил Уильям Симс . Параллельно Артур Вульф разработал составной двигатель с двумя цилиндрами, в котором пар расширялся в цилиндре высокого давления, а затем попадал в цилиндр низкого давления. Эффективность была дополнительно повышена Сэмюэлем Гроузом , который изолировал котел, двигатель и трубы. [46]

Давление пара над поршнем в конечном итоге увеличилось 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 улучшилась конденсация. насосные двигатели в системе Корнуолла (часто известные как двигатели Корнуолла Это значительно повысило эффективность, и на протяжении всего 19 века продолжали строить новые ). Старые двигатели Watt были обновлены, чтобы соответствовать требованиям.

Эти усовершенствования Корнуолла шли медленно в районах текстильной промышленности, где уголь был дешевым, из-за более высоких капитальных затрат на двигатели и большего их износа. Изменения начались только в 1830-х годах, обычно путем добавления еще одного цилиндра (высокого давления). [47]

Еще одним ограничением первых паровых двигателей была изменчивость скорости, что делало их непригодными для многих текстильных применений, особенно для прядения. Чтобы добиться постоянной скорости, первые текстильные фабрики с паровым приводом использовали паровой двигатель для перекачки воды в водяное колесо, которое приводило в движение оборудование. [48]

Многие из этих двигателей поставлялись по всему миру и обеспечивали надежную и эффективную работу на протяжении многих лет при значительном снижении потребления угля. Некоторые из них были очень большими, и их продолжали строить вплоть до 1890-х годов.

Корлисс двигатель

[ редактировать ]
Основная статья: паровая машина Корлисса
«Улучшенный клапанный механизм Corliss от Гордона», подробный вид. Запястная пластина — это центральная пластина, от которой стержни расходятся к каждому из 4 клапанов.

( Паровую машину Корлисса запатентованную в 1849 году) назвали величайшим усовершенствованием со времен Джеймса Уатта. [49] Двигатель Corliss имел значительно улучшенный контроль скорости и большую эффективность, что делало его пригодным для всех видов промышленного применения, включая прядение.

Корлисс использовал отдельные порты для подачи и выпуска пара, что не позволяло выхлопным газам охлаждать проход, используемый горячим паром. Корлисс также использовал частично вращающиеся клапаны, которые обеспечивали быстрое действие и помогали снизить потери давления. Сами клапаны также были источником пониженного трения, особенно по сравнению с золотниковым клапаном, который обычно потреблял 10% мощности двигателя. [50]

Корлисс использовал автоматическое отключение переменных. Клапанный механизм контролировал частоту вращения двигателя, используя регулятор для изменения времени отключения. Частично это способствовало повышению эффективности в дополнение к лучшему контролю скорости.

Дополнительная информация: Паровой двигатель.

Высокоскоростная паровая машина Портера-Аллена

[ редактировать ]
Дополнительная информация: Высокоскоростной паровой двигатель.
Высокооборотный двигатель Портера-Аллена. Увеличьте, чтобы увидеть регулятор Портера слева перед маховиком.

В двигателе Портера-Аллена, представленном в 1862 году, использовался усовершенствованный клапанный механизм, разработанный для Портера Алленом, механиком исключительных способностей, и сначала он был широко известен как двигатель Аллена. Высокоскоростной двигатель представлял собой прецизионную, хорошо сбалансированную машину, достижения которой стали возможны благодаря развитию станков и технологий производства. [50]

Высокоскоростной двигатель работал со скоростью поршня, в три-пять раз превышающей скорость обычных двигателей. Он также имел низкую вариабельность скорости. Высокооборотный двигатель широко использовался на лесопилках для привода циркулярных пил. Позже его использовали для производства электроэнергии.

Двигатель имел ряд преимуществ. В некоторых случаях это может быть напрямую связано. Если бы использовались шестерни или ремни и барабаны, они могли бы быть гораздо меньших размеров. Сам двигатель также был небольшим для той мощности, которую он развивал. [50]

Портер значительно усовершенствовал регулятор флайбола, уменьшив вращающийся вес и добавив вес вокруг вала. Это значительно улучшило контроль скорости. К 1880 году губернатор Портера стал ведущим типом. [ нужна ссылка ]

КПД двигателя Портера-Аллена был хорошим, но не равным двигателю Корлисса. [13]

Однопоточный (или непоточный) двигатель

[ редактировать ]
Основная статья: Паровой двигатель Uniflow

[51] Прямоточный двигатель был наиболее эффективным типом двигателя высокого давления. Он был изобретен в 1911 году и впервые запатентован в 1885 году Леонардом Дженнеттом Тоддом . В прямоточном двигателе использовались тарельчатые клапаны и полуцилиндры, которые позволяли пару проходить в двигатель, а затем использовались для создания среды высокого давления, которая была ключом к работе прямоточного двигателя. Он использовался на кораблях, паровозах и паровых вагонах, но был вытеснен паровыми турбинами , а затем и судовыми дизельными двигателями . [50] [52] [53] [17]

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ «Отчет об изобретении и прогрессивном совершенствовании парового двигателя» , «Паровой двигатель» , Cambridge University Press, стр. 1–46, 17 июля 2014 г., doi : 10.1017/cbo9781107279940.004 , ISBN  978-1-108-07028-7 , получено 21 апреля 2024 г.
  2. ^ «Турбина». Британская энциклопедия. 2007. Британская энциклопедия Интернет. 18 июля
  3. ^ Уайзер, Венделл Х. (2000). Энергетические ресурсы: возникновение, добыча, преобразование, использование . Биркхойзер. п. 190. ИСБН  978-0-387-98744-6 .
  4. ^ Леофранк Холфорд-Стривенс (2005). Авл Геллий: Автор-Антонин и его достижения (пересмотренное издание в мягкой обложке). Издательство Оксфордского университета. ISBN  0-19-928980-8 .
  5. ^ Чисхолм, Хью , изд. (1911). «Архитас» . Британская энциклопедия . Том. 2 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. п. 446.
  6. ^ Авл Геллий , «Чердачные ночи», Книга X, 12.9 в LacusCurtius
  7. ^ АРХИТ ИЗ ТАРЕНТА , Технологический музей Салоник, Македония, Греция. Архивировано 26 декабря 2008 г. в Wayback Machine.
  8. ^ Цапля Александрийская (Герой Александрии) (ок. 62 г. н.э. ): Spiritalia или Pneumatica . Перепечатано в 1998 г. компанией KG Saur GmbH, Мюнхен. ISBN   3-519-01413-0 .
  9. ^ Jump up to: а б с Дейтон, Фред Эрвинг (1925). «Две тысячи лет пара» . Дни парохода . Компания Фредерика А. Стокса. п. 1. [ постоянная мертвая ссылка ]
  10. ^ Герой Александрии (1851). «Двери храма, открытые огнем на жертвеннике» . Пневматика Героя Александрийского . Беннет Вудкрофт (пер.). Лондон: Тейлор Уолтон и Маберли (интернет-издание Рочестерского университета, Рочестер, Нью-Йорк). Архивировано из оригинала 9 мая 2008 г. Проверено 23 апреля 2008 г.
  11. ^ «Терстон, Роберт (1878 г.), «История развития парового двигателя» » . History.rochester.edu. 16 декабря 1996 г. Архивировано из оригинала 29 июня 1997 г. Проверено 26 января 2012 г.
  12. ^ Терстон, Роберт Генри (1996). История развития парового двигателя (переиздание). Элиброн. п. 12. ISBN  1-4021-6205-7 .
  13. ^ Jump up to: а б Таки ад-Дин и первая паровая турбина, 1551 год нашей эры. Архивировано 18 февраля 2008 г. на веб-странице Wayback Machine , доступ в Интернете 23 октября 2009 г.; на этой веб-странице имеется ссылка на Ахмада И. Хасана (1976), Таки ад-Дин и арабское машиностроение , стр. 34–5, Институт истории арабской науки, Университет Алеппо .
  14. ^ «Университет Рочестера, штат Нью-Йорк, Рост онлайн-ресурса по истории паровых двигателей, глава первая» . History.rochester.edu. Архивировано из оригинала 4 февраля 2012 г. Проверено 26 января 2012 г.
  15. ^ Роберт Генри Терстон, История развития парового двигателя , Д. Эпплтон и компания, 1903, Google Print, стр. 15-16 (общественное достояние)
  16. ^ Гарсия, Николас (2007). За пределами черной легенды . Валенсия: Университет Валенсии. стр. 443–454. ISBN  9788437067919 .
  17. ^ Jump up to: а б Макнил, Ян (1990). Энциклопедия истории техники . Лондон: Рутледж. ISBN  0-415-14792-1 .
  18. ^ Jump up to: а б с д и ж г час Джонсон, Стивен (2008). Изобретение воздуха: история науки, веры, революции и рождения Америки . Нью-Йорк: Книги Риверхуда. ISBN  978-1-59448-852-8 .
  19. ^ Тредголд, стр. 3
  20. ^ Терстон, Роберт Генри (1883). История развития паровой машины . Лондон: Киган Пол и Тренч (переиздано Адамантом, 2001 г.). стр. 21–22. ISBN  1-4021-6205-7 .
  21. ^ Jump up to: а б Тредголд, стр. 6
  22. ^ Jump up to: а б Ландес, Дэвид. С. (1969). Освобожденный 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 .
  23. ^ Jump up to: а б LTC Ролт и Дж. С. Аллен, Паровой двигатель Томаса Ньюкомена (Landmark Publishing, Эшборн, 1997).
  24. ^ ПВ Кинг. «Горнодобывающая промышленность Черной страны до промышленной революции». История горного дела: Бюллетень Общества истории горных предприятий Пик-Дистрикт . 16 (6): 42–3.
  25. ^ Дженкинс, Рис (1936). Ссылки в истории техники и технологий со времен Тюдоров . Кембридж (1-е место), Books for Libraries Press (2-е место): Общество Ньюкомена в издательстве Кембриджского университета. ISBN  0-8369-2167-4 Собрание статей Риса Дженкинса, бывшего старшего эксперта Британского патентного ведомства {{cite book}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка ) CS1 maint: постскриптум ( ссылка )
  26. ^ «Phil. Trans. 1751–1752 47, 436–438, опубликовано 1 января 1751 года» . Философские труды Лондонского королевского общества . 47 : 436–438. 31 декабря 1752 г. doi : 10.1098/rstl.1751.0073 . S2CID   186208904 .
  27. ^ Халс Дэвид К. (1999): «Раннее развитие парового двигателя»; TEE Publishing, Лимингтон Спа, Великобритания, ISBN, 85761 107 1
  28. ^ «Отчет инженерного отдела Пакстона (2 из 3)» . Content.cdlib.org. 20 октября 2009 г. Проверено 26 января 2012 г.
  29. ^ Тредголд, стр. 21-24
  30. ^ «Энергетический зал | Посмотрите, как работает «Старая Бесс»» . Музей науки. Архивировано из оригинала 05 февраля 2012 г. Проверено 26 января 2012 г.
  31. ^ Jump up to: а б с Роу, Джозеф Уикхэм (1916), английские и американские производители инструментов , Нью-Хейвен, Коннектикут: издательство Йельского университета, LCCN   16011753 . Перепечатано McGraw-Hill, Нью-Йорк и Лондон, 1926 г. ( LCCN   27-24075 ); и Lindsay Publications, Inc., Брэдли, Иллинойс ( ISBN   978-0-917914-73-7 ).
  32. ^ Огг, Дэвид. (1965), Европа старого режима: 1715-1783 Фонтана История Европы (стр. 117 и 283)
  33. ^ Тайлер, Дэвид (2004): Оксфордский национальный биографический словарь . Издательство Оксфордского университета.
  34. ^ Эйрес, Роберт (1989). «Технологические трансформации и длинные волны» (PDF) : 13. Архивировано из оригинала (PDF) 1 марта 2012 г. Проверено 8 декабря 2015 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
  35. ^ Розен, Уильям (2012). Самая мощная идея в мире: история пара, промышленности и изобретений . Издательство Чикагского университета. п. 185. ИСБН  978-0226726342 .
  36. ^ «Двигатель на коленях» в коллекции Группы музеев науки» . Collection.sciencemuseumgroup.org.uk . Проверено 11 мая 2020 г.
  37. ^ Халс, Дэвид К., Развитие вращательного движения с помощью паровой энергии (TEE Publishing Ltd., Лимингтон, Великобритания, 2001 г.) ISBN   1-85761-119-5
  38. ^ Томсон, Росс (2009). Структуры изменений в эпоху механики: технологические изобретения в Соединенных Штатах, 1790-1865 гг . Балтимор, Мэриленд: Издательство Университета Джонса Хопкинса. п. 47 . ISBN  978-0-8018-9141-0 .
  39. ^ Беннетт, С. (1979). История техники управления 1800-1930 гг . Лондон: Peter Peregrinus Ltd., с. 2. ISBN  0-86341-047-2 .
  40. ^ https://archive.org/stream/cu31924004249532#page/n45/mode/2up стр.21.
  41. ^ «Паровой двигатель. Краткая история поршневого двигателя», RJLaw, Музей науки, Канцелярский офис Ее Величества в Лондоне, ISBN   0 11 290016 X , стр. 12
  42. ^ «Вход для участников — Руководство по Грейс» (PDF) .
  43. ^ Мейер, Дэвид Р. (2006). Сетевые машинисты: высокотехнологичные отрасли в довоенной Америке . Джонс Хопкинс изучает историю технологий. Балтимор: Издательство Университета Джонса Хопкинса. п. 44. ИСБН  978-0-8018-8471-9 . OCLC   65340979 .
  44. ^ «Инженерные графики - Ричард Тревитик - Пар высокого давления» .
  45. ^ Янг, Роберт: «Тимоти Хакворт и Локомотив»; the Book guild Ltd, Льюис, Великобритания (2000) (переиздание изд. 1923 г.), стр. 18-21
  46. ^ Нуволари, Алессандро; Верспаген, Барт (2007). « Репортер Lean's Engine и Корнуоллский двигатель». Труды Общества Ньюкомена . 77 (2): 167–190. дои : 10.1179/175035207X204806 . S2CID   56298553 .
  47. ^ Нуволари, Алессандро; Верспаген, Барт (2009). «Технический выбор, инновации и британская паровая техника, 1800-1850». Обзор экономической истории . 63 (3): 685–710. дои : 10.1111/j.1468-0289.2009.00472.x . S2CID   154050461 .
  48. ^ Томсон, Росс (2009). Структуры изменений в эпоху механики: технологические изобретения в Соединенных Штатах, 1790-1865 гг . Балтимор, Мэриленд: Издательство Университета Джонса Хопкинса. стр. 83–85 . ISBN  978-0-8018-9141-0 .
  49. ^ Томсон, с. 83-85.
  50. ^ Jump up to: а б с д Хантер, Луи К. (1985). История промышленной мощи в Соединенных Штатах, 1730–1930, Том. 2: Мощность пара . Шарлоттсвилл: Университетское издательство Вирджинии.
  51. ^ Морли, HW (19 января 1918 г.). «Единопоточный двигатель» . Научный американец . Проверено 22 апреля 2024 г.
  52. ^ Макнил, Ян (1990). Энциклопедия истории техники . Лондон: Рутледж. ISBN  0415147921 .
  53. ^ Марк Левинсон (2006). Коробка: Как транспортные контейнеры сделали мир меньше, а мировую экономику больше . Принстонский университет. Нажимать. ISBN  0-691-12324-1 . Обсуждаются типы двигателей в эпоху контейнерных перевозок, но даже не упоминается Uniflo.

Библиография

[ редактировать ]

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
Викискладе есть медиафайлы по теме истории парового двигателя .
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=History_of_the_steam_engine&oldid=1237662076#Porter-Allen_high_speed_steam_engine"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 2b53fb25a0e6e8db234a2b820e459687__1722365280
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/2b/87/2b53fb25a0e6e8db234a2b820e459687.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
History of the steam engine - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)