2.3.6. Возникновение и развитие паровой машины.

Силу пара знали еще древние (Архимед, Герон Александрийский, Леонардо да Винчи). Герон более 2 тыс. лет назад изготавливал не только игрушки, приводимые в действие паром, но и создал паровую машину, открывавшую двери храма. Древние греки не использовали паровые двигатели только потому, что труд рабов был дешевле, у них не было стимула совершенствовать технику.

Только в 17 веке (1615 год) француз С. де Ко воспроизвел машину Герона: через герметичную крышку бака с водой выходила труба, бак ставили на огонь, вода закипала и пар поднимал воду в трубе, сколь бы она не была высока. Опыт наглядно демонстрировал силу пара.

Уже первые модели паровых машин имели все составные части технической системы: ИЭ - огонь, Дв - котел с водой, преобразующий тепловую энергию в механическую (расширение пара), Тр - труба, РО - пар, изделие - вода в трубе, ОУ - человек (с помощью огня).

В 1663 году была запатентована и заработала машина маркиза Уорчестера: машина имела паровой котел, от него шла труба к двум бакам с водой, при открытии крана на одной из труб вода из бака вытеснялась паром в водоподъемную трубу, в это время второй бак заполняли свежей порцией воды; кран на первой трубе закрывался, в котле поднималось давление, открывался второй кран и т.д.

РО усложнился - появились баки и краны, давшие возможность управлять уже самим рабочим органом. РО развивается и дальше, при неизменной схеме работы остальных частей (ИЭ-Дв-Тр), появляются элементы автоматического действия (клапаны) и новый принцип обработки изделия - воды (всасывание вместо нагнетания).

Рис. 3. Паровая водоподъемная машина Т.Сэвери.1 - котел, 2 - бак с водой, 3 - приемная емкость, 4 - источник воды; А, Б - клапаны.

В 1698 году английский инженер Т.Севери получил патент на паровую водоподъемную машину (откачка воды из шахт), в которой, в отличие от машины Уорчестера, в водоподъемной трубе были установлены клапаны (рис. 3). Вентиль на паровом котле открывался, пар вытеснял воздух из 2, при этом клапан А открывался (клапан Б закрыт) и вода попадала в 3. Потом 2 охлаждался водой, в нем резко падало давление, образовывался вакуум, подсасывалась вода из 4 через клапан Б (А закрыт) и цикл повторялся. Модель машины с успехом демонстрировалась Королевскому обществу.

В 1705 году был выдан патент кузнецу и железоторговцу Т.Ньюкомену на водоподъемную машину, в которой впервые использовались цилиндры с поршнем (рис. 4).

Рис. 4. Паровая машина Ньюкомена.1 - насос, 2 - источник воды, 3 - емкость, 4 - коромысло, 5 - рабочий цилиндр, 6 - емкость с водой, 7 - котел; A,B, - клапаны, C,D - краны.

Поршень насоса 1 под действием собственного веса опускался вниз, вода из цилиндра вытеснялась в емкость 3 (А открыт, В закрыт). в это время рабочий цилиндр 5 был заполнен паром, поступившим из парового котла 7 (D открыт, С закрыт). Коромысло 4 наклонялось влево, толкало поршень насоса 1. Затем рабочий цилиндр охлаждался водой снаружи (после усовершенствования впрыскивал воду в цилиндр) пар в 5 конденсировался и давление падало ниже атмосферного. Впрыск воды из емкости 6, открывался кран С. В 5 образовывался вакуум и поршень под действием атмосферного давления опускался вниз, коромысло 4 поворачивалось вправо, поршень насоса 1 поднимался, клапан Б открывался, цилиндр насоса заполнялся водой из 2. Цикл повторялся. Машина поэтому называлась атмосферной.

Уже к 1770 году на севере Англии работало около 100 машин, а к 1780 году на Корнуэльских оловянных рудниках (юго-запад Англии) работало не менее 70 машин.

При работе машины требовалось открывать и закрывать краны, подающие в цилиндр то пар (D), то воду (С). Один из мальчиков, приставленных к такой машине, Гемфри Поттер, открыл эпоху автоматических машин: он связал краны с коромыслом веревкой и они стали сами открываться и закрываться...

Вытеснение человека из ТС продолжалось и далее.

Рис. 5. Универсальная паровая машина Ползунова.1 - двухцилиндровый двигатель, 2 - воздуходувные меха, 3 - аккумулятор давления, 4 - сжатый воздух, поступающий в плавильные печи по трубам.

В 1763 году И.И.Ползунов, после знакомства с работами Сэвери и Ньюкомена, разработал проект первой в мире универсальной паровой машины, мощность 1,8 л.с. (рис. 5). В отличие от машины Ньюкомена, которая не могла непрерывно производить работу и использовалась поэтому для привода орудий прерывного действия (например, водооткачивающих насосов), машина Ползунова могла производить работу непрерывно, то есть была спроектирована как универсальная. Им были применены два цилиндра (би-система), поршни которых поочередно передавали работу на общий вал. Впервые выдвинутый Ползуновым принцип сложения работы нескольких цилиндров на одном валу нашел в дальнейшем широкое применение (в том числе в ДВС). Ползунов также разработал специальное автоматическое устройство, производящее распределение пара и воды (позиции 6,7 на рис. 6).

Рис. 6. Схема воздуходувной установки Ползунова.1 - цилиндр, 2 - 3 - балансиры, 4 - 5 - малые полубалансиры, 6 - 7 - пароводораспределительный механизм, 8 - полубалансир, 9 - насос, 10 - воздухонагнетательные меха, 11 - коллектор, 12 - аккумулятор.

Джеймс Уатт открыл мастерскую по ремонту различных приборов, изучал свойства воды и водяного пара, определил опытным путем зависимость между давлением и температурой насыщенного водяного пара. В 1764 году ему принесли для ремонта модель машины Ньюкомена. Внимательно изучив машину, он правильно определил большой ее недостаток: из-за впрыскивания воды для конденсации пара цилиндр машины сильно охлаждался, а при подаче в него пара его необходимо было снова нагревать (большой расход тепла и топлива). Уатт сделал два важных усовершенствования:

• конденсатор пара 5 (пар конденсировался не в цилиндре, а в конденсаторе),

• паровая рубашка 2 вокруг цилиндра (рис. 7).

Это существенно повысило к.п.д. машины.

Рис. 7. Схема машины Д.Уатта.1, 2, 6, 8 - клапаны, 3 - насос, 4 - емкость с водой, 5 - конденсатор пара, 7 - паровая рубашка, 9 - котел.

Насосная паровая машина Уатта оказалась такой удачной, что если в 1778 году на Корнуэльском руднике было 70 машин Ньюкомена, то к 1790 году все они, кроме одной, были заменены машинами Уатта (пат. 1769 года).

Область применения паровых машин расширялась, большие заказы поступали со стороны развивающейся текстильной промышленности, требовались универсальные двигатели для привода вращающихся станков.

Патент на универсальный паровой двигатель Уатт получил в 1781 году. Он разработал и создал паровую машину с цилиндрами двойного действия, разработал центробежный регулятор и индикатор. Начал применяться давно известный кривошипно-шатунный механизм.

Через 20 лет усовершенствований Уатт избавился от холостого хода: закрыл цилиндр крышкой с сальником, теперь можно было подавать пар поочередно по обе стороны поршня - появилась машина непрерывного действия. В паровую рубашку подавался отработанный пар, создавалась теплозащитная оболочка. В конденсаторе пар отдавал тепло холодной воде, которая поступала в котел. Для управления подачей пара Уатт изобрел золотник, заменивший систему кранов: он перемещался поршнем машины посредством специальных тяг. Центробежный регулятор был необходим для перемещения заслонки в паропроводе, это нужно для поддержания постоянной скорости машины (несмотря на изменение нагрузки и давление пара в котле).