Дени Папен создал первую работающую модель парового двигателя, чьим недостатком было то, что он отрабатывал только один цикл, после чего двигатель приходилось охлаждать, разбирать и собирать заново. Такая конструкция могла использоваться лишь в показательных целях, но совершенно не подходила для выполнения полезной работы. Связано это было с тем, что вода подогревалась непосредственно в цилиндре, из-за этого сам цилиндр постоянно находился в горячем состоянии и поршень не мог вернуться в исходное положение. Поэтому последователи Папена использовали для нагревания воды отдельную ёмкость - паровой котёл.

Первой применённой на производстве и запатентованной паровой машиной была "пожарная установка", сконструированная английским инженером и владельцем шахты Томасом Севери в 1698 году. Это был паровой насос, а не двигатель: в нем не было цилиндра с поршнем, который при своем перемещении приводил бы что-то в движение. Самое важное в этом устройстве было то, что пар для работы насоса образовывался в отдельном котле. Он был довольно опасен, поскольку из-за высокого давления пара ёмкости и трубы двигателя иногда взрывались, поэтому Севери осторожно относился к тому, насколько мощным был его насос .

Машина работала следующим образом: сначала герметичный резервуар наполнялся паром, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, отчего пар конденсировался, и в резервуаре создавался частичный вакуум. После этого вода со дна шахты засасывалась в резервуар через заборную трубу и после впуска очередной порции пара выбрасывалась наружу через выпускную. На трубах были установлены клапаны, пропускавшие воду только из шахты в резервуар и из резервуара в сточный желоб, в обратном же направлении они воду не пропускали. Затем цикл повторялся, но воду можно было поднимать только с глубины менее 10,36 м, поскольку в действительности ее выталкивало атмосферное давление.

У насоса Севери были серьезные недостатки: он был малоэффективным, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, расходовал во время работы очень много топлива, работал прерывисто - вода откачивалось отдельными порциями. Его нельзя было использовать как универсальный двигатель для привода различных машин и механизмов, так как они в большинстве своем работают непрерывно. Тем не менее, насос Севери помог изобретателям воспринять простую мысль, что в паровых машинах следует пользоваться паром из отдельного котла.

В 1712 году английский кузнец Томас Ньюкомен, взяв за основу двигатель Севери, совместно со стекольщиком Джоном Калли продемонстрировал свой "атмосферный двигатель". В отличие от предшествующего двигателя, этот имел отдельный цилиндр с поршнем и отдельный цилиндр насоса. Эта машина была установлена на угольной шахте в Стаффордшире для откачки воды. Она представляла собой усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором было снижено рабочее давление пара.

Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. При впрыскивании в цилиндр холодной воды пар конденсировался, в цилиндре образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом, поднимал вверх шток насоса. Когда поршень находился в нижней точке своего хода, в цилиндр снова поступал пар, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса или на коромысле, поршень поднимался в исходное положение. После этого цикл повторялся. Такую технологию, в наше время используют бетононасосы на стройках. Чтобы ликвидировать зазор между цилиндром и поршнем, Ньюкомен закрепил на торце последнего гибкий кожаный диск и налил на него немного воды.

Насос Ньюкомена стал первой паровой машиной, получившей широкое практическое применение и использовавшейся по всей Европе более 50 лет. За один день она выполняла работу, которую бригады из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, раньше выполняли за неделю. В 1775 году еще большая машина, построенная Джоном Смитом, за две недели осушила сухой док в Кронштадте. Ранее с использованием высоких ветряков на это уходил год.

Машина Ньюкомена оказалась удачной, но далёкой от совершенства. Она преобразовывала в механическую энергию всего лишь 1% тепловой энергии и, как следствие, пожирала огромное количество топлива, что, впрочем, не имело особого значения, когда машина работала на угольных шахтах. Также, из-за неравномерного хода, машины Ньюкомена часто ломались.

На своё изобретение Ньюкомен не смог получить патент, так как паровой водоподъёмник был ранее запатентован Томасом Севери, с которым Ньюкомен позднее сотрудничал. Паровая машина Ньюкомена не была универсальным двигателем и могла работать только как насос. Попытки Ньюкомена использовать возвратно-поступательное движение поршня для вращения гребного колеса на судах оказались неудачными.

В целом машины Ньюкомена сыграли огромную роль в сохранении угольной промышленности: с их помощью удалось возобновить добычу угля во многих затопленных шахтах. Заслуга Ньюкомена также и в том, что он одним из первых реализовал идею использования пара для получения механической работы.

В России первая паровая машина, способная непосредственно приводить в действие механизмы, предложена 25 апреля 1763 года И.И. Ползуновым, механиком на Колывано-Воскресенских горнорудных заводах Алтая. Эта машина предназначалась для приведения в действие воздуходувных мехов. Проект был одобрен начальником заводов, который отослал его в Петербург, где паровая машина Ползунова получила признание.

Ползунов предлагал построить вначале небольшую машину, на которой можно было бы выявить и устранить все недостатки, неизбежные в новом изобретении. Заводское начальство с этим не согласилось и решило строить сразу большую машину. Её постройку поручили Ползунову, в помощь которому были выделены двое мастеровых и несколько подсобных рабочих. Машина строилась год и девять месяцев. Когда машина прошла первое испытание, изобретатель заболел скоротечной чахоткой и за несколько дней до завершающих испытаний умер.

23 мая 1766 года ученики Ползунова Левзин и Черницын одни приступили к последним испытаниям паровой машины, а 7 августа 1766 года вся установка - паровая машина и мощная воздуходувка - была сдана в эксплуатацию. За три месяца работы машина Ползунова не только оправдала все затраты на ее постройку, но и дала чистую прибыль, в четыре раза превышающую её стоимость.

10 ноября 1766 года котел дал течь, и машина остановилась. Несмотря на то, что эту неисправность можно было легко устранить, заводское начальство, не заинтересованное в механизации, забросило творение Ползунова. В течение последующих тридцати лет машина бездействовала, а в 1779 году была разобрана.

Более практичной, чем машина Севери, оказалась конструкция английского изобретателя Томаса Ньюкомена, кузнеца по профессии. Он приступил к постройке своей машины в 1705-1706 гг. в сотрудничестве со стеклоделом Джоном Коули. Остается неизвестным, в какой мере Ныокомен знал о «двигателе» Папена и других опытах с поршнем, цилиндром и разрежением, но в своем двигателе он удачно совместил достижения Севери и идеи Папена.

Принцип действия пароатмосферной поршневой машины Ньюкомена заключался в следующем: внутри цилиндра двигался поршень, связанный с одним концом балансира. Другой конец балансира соединялся со штангами водоотливного насоса. Пар поступал в цилиндр из котла при открытом кране и поднимал поршень, который уравновешивался весом насосной штанги и добавочного груза. При достижении поршнем верхнего положения кран закрывался. Пар конденсировался вначале благодаря охлаждению цилиндра водой извне, а в более поздних образцах вследствие впрыскивания в цилиндр холодной воды из резервуара через кран. Движение поршня вниз обеспечивалось атмосферным давлением; при этом поднимались насосные штанги и вода откачивалась. Охлаждающая вода и сконденсировавшийся пар удалялись из цилиндра по трубе - излишний пар выпускался из котла через предохранительный клапан. Затем цилиндр с котлом снова сообщались, и пар помогал противовесу вернуть поршень в исходное положение. В этой конструкции паровой двигатель был органически соединен с насосом.

Первая машина Ньюкомена была построена и пущена в работу по откачке воды из рудника в 1712 г. Ее мощность составляла 8 л. с., она обеспечивала подъем воды с глубины 80 м. Так как рабочий цилиндр оставался одновременно и конденсатором, т. е. нагрев и охлаждение цилиндра чередовались, то для работы паросиловой установки Ньюкомена все еще требовалось чрезвычайно большое количество топлива: около 25 кг угля в час на 1 л. с. И тем не менее это был настоящий успех: новая машина позволяла разрабатывать копи на глубину вдвое большую, чем раньше .

Ньюкомен стал изготовлять машины в компании с Севери (Севери своим патентом закрепил за собой любые возможности использования водяного пара, и Ньюкомен и Коули не смогли получить патента на свое изобретение ).

В дальнейшем конструкция совершенствовалась: ручное открывание и закрывание кранов было заменено автоматическим. В 1718 г. англичанин Генри Бейтон построил машину с автоматическим регулированием и предохранительным клапаном для котла.

Уже в 20-е годы XVIII в. машины Ньюкомена работали во многих странах Европы: в Англии, Австрии, Бельгии, Франции, Венгрии, Швеции; в Англии они широко использовались на корнуэлльских оловянных рудниках, в Ньюкаслском угольном бассейне и других местах. Их применяли не только на рудниках, но и в системе водоснабжения и в гидротехнических сооружениях. Лондонская машина 1720 г., предназначенная для снабжения города водой Темзы, имела объем котла около 17 куб. м, а цилиндр - диаметром более 80 см и высотой 3 м.

В 1722 г. шесть машин Ньюкомена были установлены на рудниках Банской Штявницы в Словакии.

В 1728 г. шведский ученый механик М. Тривальд построил пароат-мосферную машину, подобную ньюкоменовской, предварительно рассчитав экономичность парового привода по сравнению с конным . Попытка Тривальда теоретически обосновать экономичность паровых машин была в то время одним из немногих случаев обращения ученых к проблеме теплового двигателя. В течение всего XVIII и первых десятилетий XIX в. физики не интересовались паровой машиной.

Ф. Энгельс, характеризуя соотношение между теорией и практикой в период зарождения теплоэнергетики, отмечал, что «практика по-своему решила вопрос об отношениях между механическим движением и теплотой...», а дело с теорией в тот период обстояло «довольно печально» (Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 20, с. 431 ).

Отсутствие необходимых знаний о физических свойствах рабочего тела приводило к неверным толкованиям и ошибочным конструктивным решениям. Так, Тривальд заблуждался относительно того, что в воде будто бы содержится неисчислимое количество воздуха, который, по его мнению, и являлся рабочим агентом машины. Это заблуждение привело к тому, что самая большая его машина, построенная для откачивания воды из Даннеморских рудников (Швеция), оказалась неработоспособной из-за заниженного объема парогенератора .

В России машины Ньюкомена появились довольно поздно. Это объясняется особенностями русской техники XVIII в.: железоделательные заводы на Урале пользовались водяными колесами, копи, на которых была бы необходима откачка воды с большой глубины, отсутствовали, текстильное производство носило ремесленный характер и не нуждалось в двигателе. Первая пароатмосферная машина Ньюкомена была установлена в 1777 г. в Кронштадте для откачки воды из дока .

Важные усовершенствования в пароатмосферную машину в начале 70-х годов XVIII в. внес инженер Джон Смитон, рассчитав правильное соотношение между размерами частей машины, а также создав более целесообразную форму ее деталей.

Многие машины Ньюкомена долгое время находились в эксплуатации даже после изобретения более совершенного двигателя Уатта, особенно там, где имелся в изобилии низкосортный уголь. Последняя машина Ньюкомена на угольных копях Англии была демонтирована лишь в 1934 г. .

Но, несмотря на продолжительную службу машины Ньюкомена, ее применение никакого промышленного переворота не совершило. Ее введение не решало вопроса полностью - машина не была универсальной. Прерывистый характер работы и невозможность действия двигателя вне связи с насосом определяли ее использование только для подъема воды. Об этих машинах не без основания говорили, что для их изготовления нужен железный рудник (конструкция оставалась громоздкой), а для обслуживания - угольная копь.

Вместе с тем предшествующий опыт с пароатмосферными машинами подготовил значительный материал для последующих изобретателей. Перед ними возникло много конкретных вопросов, главным из которых было создание нового экономичного двигателя.

Паровая машина Т. Ньюкомена.

В 1705 году механик Томас Ньюкомен получил патент на изобретенную им тепловую машину. Паровой насос Ньюкомена начали использовать в Англии для откачки воды из шахт. Главной деталью его был поршень, уравновешенный грузом и двигавшийся в большом вертикальном цилиндре (2). Давление пара, подаваемого в цилиндр из котла (1), поднимало поршень. Впрыскивание холодной воды из резервуара (5) осаждало пар и создавало в цилиндре вакуум. Атмосферное давление опускало поршень вниз. Охлаждающая вода и сконденсированный пар выпускались из цилиндра по трубе (6), а излишний пар из котла - через предохранительный клапан (7).

После этого двигатель вновь был готов к следующему впрыскиванию пара. Основной недостаток машины Ньюкомена состоял в том, что рабочий цилиндр в ней являлся в то же время и конденсатором.

Из-за этого приходилось поочередно то охлаждать, то нагревать цилиндр, и расход топлива оказывался очень велик.

Машина Ньюкомена была громоздкой, работала медленно и с перерывами.
Последующие изобретатели внесли много усовершенствований в насос Ньюкомена. Но принципиальная схема машины Ньюкомена оставалась неизменна на протяжении 50 лет.

Паровой двигатель Джеймса Уатта.

В 1765 году английский механик Джеймс Уатт создает паровой двигатель. В 1763-1764 годах ему пришлось чинить принадлежавший университету образец машины Ньюкомена. Уатт изготовил небольшую ее модель и принялся изучать ее действие. Уатту сразу стало ясно, что для более экономичной работы двигателя целесообразнее держать цилиндр постоянно нагретым. В 1768 году на основе этой модели на шахте горнозаводчика Ребука была построена большая машина Уатта, на изобретение которой он получил в 1769 году свой первый патент.

Самым принципиальным и важным в его изобретении было разделение парового цилиндра и конденсатора, благодаря чему не затрачивалась энергия на постоянный разогрев цилиндра. Машина стала более экономичной . Ее КПД увеличился.

С 1776 года началось фабричное производство паровых машин. В машину 1776 года по сравнению с конструкцией 1765 года было внесено несколько принципиальных улучшений. Поршень помещался внутри цилиндра, окруженный паровым кожухом. Кожух сверху был закрыт, а цилиндр - открыт. Пар поступал в цилиндр из котла по боковой трубе. Цилиндр соединялся с конденсатором трубой, снабженной паровыпускным клапаном. Выше этого клапана был размещен еще один уравновешивающий клапан.

Однако машина совершала только одно рабочее движение, работала рывками и потому могла использоваться только как насос. Чтобы паровая машина могла приводить в действие другие машины, необходимо было, чтобы она создавала равномерное круговое движение. Такой двигатель двойного действия был разработан Уаттом в 1782 году. Огромных усилий потребовало от Уатта создание механизма передающего движение от поршня к валу, но Уатт добился и этого, создав особое передающее устройство, которое так и называется параллелограммом Уатта. Теперь новый двигатель Уатта годился для привода других рабочих машин. За 1785-1795 годы было выпущено 144 таких паровых двигателей, а к 1800 году в Англии работала уже 321 паровая машина Уатта

Для измерения мощности паровых машинУатт ввел понятие "лошадиная сила", которая в качестве общепринятой единицы мощности используется и по настоящее время. Одну из машин Уатта купил пивовар, чтобы заменить ею лошадь, которая приводила в действие водяной насос. При выборе необходимой мощности паровой машины пивовар определил рабочую силу лошади как восьмичасовую безостановочную работу до полного изнеможения лошади. Расчет показал, что каждую секунду лошадь поднимала 75 кг воды на высоту 1 метр, что и было принято за единицу мощности в 1 лошадиную силу.

Паровые двигатели применяли во всех отраслях производства. Они широко использовались в промышленности, на транспорте и стали в свое время "двигателями технического прогресса".

Однако коэффициент полезного действия самых лучших паровых двигателей не превышал 5%! Из каждых 1000 кг топлива на полезную работу тратилось всего лишь 50 кг!

К концу 19 века схема паросиловой установки была значительно усовершенствована, и ее основные принципы сохранились до нашего времени.
___

Интересно, что в 1735 году в здании английского парламента был установлен первый в систории вентилятор, который приводился в движение паровым двигателем.
___

В 1800 году некий американец, владелец шахты по добыче каменного угля придумал первый паровой лифт. В 1835 году этот паровой лифт вошёл в обиход фабричного грузоподъемного дела в Англии, а потом получил распространение в США.
А в 1850-х годах "Компания паровых подъёмников Отиса" установила свой первый пассажирский лифт в пятиэтажном магазине на Бродвее. Лифт брал до пяти человек и вез их со скоростью 20 см в секунду.

Начало промышленной революции связывают с изобретением эффективного парового двигателя в Великобритании во второй половине XVII века. Хотя само по себе подобное изобретение вряд ли бы что-то дало (необходимые технические решения были известны и раньше), но в тот период английское общество было подготовлено к использованию инноваций в широких масштабах. Это было связано с тем, что Англия к тому времени перешла от статичного традиционного общества к обществу с развитыми рыночными отношениями и активным предпринимательским классом. Кроме того, Англия располагала достаточными финансовыми ресурсами (так как была мировым торговым лидером и владела колониями), воспитанным в традициях протестантской трудовой этики населением и либеральной политической системой, в которой государство не подавляло экономическую активность.

Первой попыткой использования парового двигателя в промышленности считается водяной насос Томаса Севери, запатентованный в 1698 году. Но он не был успешным из-за частых взрывов бойлера и ограниченной мощности. Более совершенной была машина Томаса Ньюкомена, разработанная к 1712 году. По-видимому, Ньюкомен использовал ранее полученные экспериментальные данные Дени Папена, который изучал давление водяного пара на поршень в цилиндре и поначалу нагревание и охлаждение пара для возвращения поршня в исходное состояние производил вручную.

Схема паровой машины Ньюкомена

Насосы Ньюкомена нашли применение в Англии и других европейских странах для откачивания воды из глубоких затопленных шахт, работы в которых без них производить было бы невозможно. К 1733 году их было куплено 110, из которых 14 -- на экспорт. Это были большие и дорогие машины, очень неэффективные по современным стандартам, но они себя окупали там, где добыча угля обходилась сравнительно дешево. С некоторыми усовершенствованиями их до 1800 года произвели 1454 штуки, и они оставались в употреблении до начала XX века.

Наиболее известная из ранних паровых машин разработки Джеймса Уатта была предложена в 1778 году, Уатт существенно усовершенствовал механизм, сделав его работу более стабильной. Одновременно мощность увеличилась примерно в пять раз, что дало 75 % экономию в себестоимости угля. Ещё более важные последствия имел тот факт, что на базе машины Уатта стало возможно преобразование поступательного движения поршня во вращательное, то есть двигатель теперь мог крутить колесо мельницы или фабричного станка. Уже к 1800 году фирма Уатта и его компаньона Болтона произвела 496 таких механизмов, из которых только 164 использовались как насосы. Ещё 308 нашли применение на мельницах и фабриках, а 24 обслуживали доменные печи.

Недалеко от города Модбери, где проводил свои первые опыты с паровым насосом Севери, в то время жил в маленьком портовом городке Дартмуте хороший кузнец и слесарь Томас Ньюкомен. Он выполнял заказы местных жителей в маленькой кузнице, стоявшей на краю города. Ныокомен не состоял членом Лондонского Королевского общества, не издавал ученых книг. Он так мало привлекал к себе внимания, что нигде не сохранились сведения о его жизни. Когда же выяснилось, что это был замечательный мастер, сделавший крупное изобретение, не удалось не только восстановить факты его биографии, не было найдено даже место, где он захоронен.

Вблизи Дартмута находилось немало рудников. Почти наверняка Ньюкомену, занимавшемуся ремонтом разных устройств, приходилось иметь дело с машинами Севери, установленными в шахтах. Еще чаще он возился с рудничными насосами. В движение они приводились за счет рабочих рук. Тяжелый ручной труд не мог не производить угнетающего впечатления. Поэтому, когда Ньюкомен познакомился с паровым цилиндром , производившего те же самые однообразные движения вверх-вниз, ему пришла в голову мысль заменить мускульную силу рабочего машиной Папена.

Ньюкомен взял к себе в помощники водопроводчика Коули, и вместе принялись за дело. В новой машине Ньюкомен использовал те разумные наработки и идеи, которые были сделаны до него. За основу он взял цилиндр с поршнем Папена, но пар в его машине для подъема поршня получался в отдельном котле, как у Севери.

Работала машина Ньюкомена следующим образом. В паровом котле все время образовывался пар.

Гравюра двигателя Ньюкомена. Это изображение скопировано с рисунка в работе Дезаглирса «курс экспериментальной философии», 1744, которая является изменённой копией гравюры Генри Битона, датированной 1717 годом. Вероятно, изображён второй двигатель Ньюкомена, установленный приблизительно в 1714 в угольной шахте Гриф в Уоркшире.

В определенный момент открывался кран, пар под давлением впускался в цилиндры и поднимал поршень вверх. Поршень через цепь и балансир (качающийся рычаг) был связан со штангой водяного насоса, которая при ходе поршня вверх опускалась вниз. Пар заполнял всю полость цилиндра. Затем вручную открывался другой кран, через который в цилиндр впрыскивалась холодная вода. Пар конденсировался, и в цилиндре создавалось разряжение. Под действием атмосферного давления поршень опускался и тянул за собой цепь балансира. Штанга водяного насоса шла при этом вверх, и насос откачивал очередную порцию воды. Далее все повторялось сначала.

Машина Ньюкомена работала с перерывами, а потому не могла приводить в действие промышленные машины и механизмы, которые требовали для своей работы непрерывного движения. Но это и не было целью Ньюкомена Он хотел сделать насос, которым можно было откачивать воду из глубоких шахт. И это ему удалось.

Машина Ньюкомена была высотой с четырех-пятиэтажный дом. От своих предшественниц она унаследовала огромную «прожорливость»: 50 лошадей едва успевали подвозить ей топливо. Обслуживало ее не менее двух человек. Один - кочегар - непрерывно подбрасывал уголь в «ненасытную пасть» котла, а второй управлял кранами, впускающими пар и холодную воду в цилиндр. Это была тяжелая, изнурительная работа.

Вторую функцию - открывать краны - нередко выполняли дети Один такой мальчик по имени Гемфри Поттер работал на машине Ньюкомена в Корнуэлле. Видимо, однообразная работа подтолкнула его к неожиданной мысли: «А нельзя ли заставить саму машину, когда ей надо, открывать и закрывать краны? Тогда можно было бы побегать по улицам или почитать книжку». Гемфри взял два куска проволоки и соединил ими рукоятки кранов с балансиром. Сделал он это с таким расчетом, что балансир, поворачиваясь вслед за ходом поршня, в нужное время стал открывать и закрывать краны. Это устройство автоматического распределения пара и воды стали называть «механизмом Поттера» - по имени мальчика-изобретателя.

По материалам сайта: oldinvent.ru