История на парната машина

1. Изграждане на двигателя

2. Газови топлинни двигатели

Първият механичен двигател, намерил практическо приложение, е парната машина. Първоначално тя е била предназначена за фабрично производство, но по-късно парната машина започва да се инсталира на самоходни машини - парни локомотиви, параходи, автомобили и трактори.

Хората са мислили да използват парата като работна среда в древни времена, но едва в края на 17 - 18 век са намерили начин да свършат полезна работа с помощта на пара. Парата работеше с помпа, която изпомпваше вода в резервоара. Водата, изтичаща от резервоара и падаща върху водното колело, го караше да се върти. Водното колело от своя страна задейства фабричните механизми и машини. По този начин, дори след изобретяването на парната помпа, водното колело остава директният двигател на работещите машини. Отне много време, преди любознателният човешки ум да създаде надежден двигател, способен директно да управлява различни машини и механизми. Изминаха повече от два века преди да се появи двигателят, който се превърна в една от предпоставките за появата на нов тип бойни машини - танкове.

1. Създаване на двигателя

Машината на Savery работи по следния начин: първо запечатан резервоар се напълва с пара, след това външната повърхност на резервоара се охлажда със студена вода, която кондензира парата и в резервоара се създава частичен вакуум. След това вода - например от дъното на мината - се засмуква в резервоара през всмукателната тръба и след инжектирането на следващата порция пара се изхвърля през изхода. След това цикълът се повтори, но водата можеше да бъде вдигната само от дълбочина по-малка от 10,36 m, тъй като в действителност тя беше изтласкана от атмосферното налягане.

Първата успешна парна машина с бутало е построена от французина Денис Папен, чието име често се свързва с изобретяването на автоклава, който днес е в почти всеки дом под формата на тенджера под налягане.

През 1674 г. Папен построява прахообразен двигател, чийто принцип се основава на запалването на праха в цилиндъра и движението на буталото вътре в цилиндъра под въздействието на праховите газове. Когато излишните газове напуснат цилиндъра през специален клапан, а останалият газ се охлади, в цилиндъра се създава частичен вакуум и буталото се връща в първоначалното си положение под въздействието на атмосферното налягане.

Колата не беше особено успешна, но даде на Папен идеята да замени барута с вода. И през 1698 г. той построи парна машина (през същата година англичанинът Савери също построи своята „пожарна машина“). Водата се загрява във вертикален цилиндър с бутало вътре и получената пара бута буталото нагоре. Когато парата се охлажда и кондензира, буталото се изтласква от атмосферното налягане. По този начин, чрез система от блокове, парната машина Papen може да задвижва различни механизми, например помпи.

Чувайки за парната машина на Папен, Томас Нюкомен, който често посещава мините в Западна страна, където работи като ковач и разбира по-добре от всеки друг, колко добри помпи са необходими за предотвратяване на наводненията в мините, обединява сили с водопроводчик и стъклар Джон Кали изграждане на по-добър модел. Първата им парна машина е инсталирана в въглищна мина в Стафордшир през 1712 година. Както при машината Papen, буталото се движеше във вертикален цилиндър, но като цяло машината на Newcomen беше много по-сложна. За да елиминира процепа между цилиндъра и буталото, Newcomen фиксира гъвкав кожен диск в края на последния и излива малко вода върху него.

Пара от котела влезе в основата на цилиндъра и повдигна буталото нагоре. Но когато в цилиндъра се инжектира студена вода, парата се кондензира, в цилиндъра се образува вакуум и под въздействието на атмосферното налягане буталото се спуска. Този обратен ход отстрани водата от цилиндъра и чрез верига, свързана с кобилица, която се движеше като люлка, повдигна пръта на помпата нагоре. Когато буталото беше в най-ниската точка на хода си, парата отново навлезе в цилиндъра и с помощта на противотежест, прикрепена към пръта на помпата или на кобилицата, буталото беше повдигнато в първоначалното си положение. След това цикълът се повтори.

Автомобилът на Newcomen се оказа изключително успешен и се използва в цяла Европа повече от 50 години. През 1740 г. машина с цилиндър с дължина 2,74 м и диаметър 76 см извършва за един ден работата, която екипите от 25 души и 10 коня, работещи на смени, са извършвали за една седмица. През 1775 г. още по-голяма машина, построена от Джон Смитън (създател на фара Eddystone), източва сух док в Кронщат, Русия за две седмици. Преди това, използвайки високи вятърни мелници, отнема цяла година.

И все пак колата на Newcomen далеч не беше перфектна. Той преобразува само около 1% от топлинната енергия в механична енергия и в резултат на това изразходва огромно количество гориво, което обаче всъщност няма значение, когато машината работи в въглищни мини.

Като цяло машините на Newcomen изиграха огромна роля за запазването на въгледобивната промишленост: с тяхна помощ беше възможно да се възобнови добивът на въглища в много наводнени мини.

Ползунов предложи първоначално да се изгради малка машина, на която да бъде възможно да се идентифицират и премахнат всички неизбежни недостатъци при ново изобретение. Шефовете на фабриката не се съгласиха с това и решиха незабавно да построят огромна машина за мощен вентилатор. Изграждането на машината е поверено на Ползунов, за да му помогне да бъдат разпределени „онези, които не знаят, но само една склонност да го направи, като има двама от местните занаятчии“ и дори няколко помощни работници.

С този „персонал“ Ползунов започва да строи собствена кола. Изграждането отне година и девет месеца. Когато колата вече е преминала първия тест, изобретателят се разболява от мимолетна консумация и умира няколко дни преди последните тестове.

Само за три месеца експлоатация автомобилът на Ползунов не само оправда всички разходи по изграждането му в размер на 7233 рубли 55 копейки, но и даде нетна печалба от 12 640 рубли 28 копейки.

През следващите тридесет години машината е неактивна и през 1779 г. тогавашните мениджъри на фабриките в Алтай нареждат машината да бъде разглобена, „за да се разбие фабриката, намираща се в тази фабрика, и да се използва дървото за това, което ще бъде добро“.

Приблизително по същото време шотландецът Джеймс Уат работи върху парна машина в Англия.

От 1763 г. той подобрява неефективната паро-атмосферна машина на Newcomen, която като цяло е подходяща само за изпомпване на вода. Беше му ясно, че основният недостатък на машината Newcomen беше редуващото се нагряване и охлаждане на цилиндъра. Как можем да избегнем това? Отговорът дойде на Уат през пролетен неделен следобед през 1765 г. Той осъзна, че цилиндърът може да бъде постоянно горещ, ако парата се отклони към отделен резервоар през клапанна линия преди кондензация. Освен това цилиндърът може да остане горещ, а кондензаторът студен, ако отвън е покрит с топлоизолационен материал. В допълнение, Уат направи още няколко подобрения, които накрая превърнаха парно-атмосферния двигател в парен. През 1768 г. той кандидатства за патент за своето изобретение. Той получи патент, но му отне много време, за да построи парна машина. Едва през 1776 г. парната машина на Уат е окончателно построена и успешно тествана. Оказа се два пъти по-ефективен от машината на Newcomen.

През 1782 г. Уат създава забележителна нова машина - първата универсална парна машина с двойно действие. Той оборудва главата на цилиндъра с маслено уплътнение, измислено не много преди това, което осигурява свободно движение на буталния прът, но предотвратява изтичането на пара от цилиндъра. Пара влезе в цилиндъра последователно от едната страна на буталото, след това от другата. Следователно буталото извършваше както работни, така и обратни ходове с помощта на пара, каквато не беше в предишните машини.

Тъй като буталният прът се дърпаше и тласкаше в двойно действащ парен двигател, старата система за задвижване на веригата и рокера, която реагираше само на дърпане, трябваше да бъде преработена. Уат разработи свързана свързваща система и използва планетарен механизъм за преобразуване на възвратно-постъпателното движение на буталния прът във въртеливо движение, използва тежък маховик, центробежен регулатор на скоростта, дисков клапан и манометър за измерване на налягането на парите.

Патентованият "ротационен парен двигател" на Уат за първи път е широко използван за задвижване на машини и стругове във предене и тъкачни машини, а по-късно и в други промишлени предприятия. По този начин парната машина на Уат се превръща в изобретението на века, което бележи началото на индустриалната революция (виж фиг. В приложението).

През 1785 г. една от първите машини Watt е инсталирана в Лондон в пивоварната Samuel Whitbread за смилане на малц. Машината вършеше работа вместо 24 коня. Диаметърът на цилиндъра му е бил 63 см, ходът на буталото е бил 1,83 м, а диаметърът на маховика е достигнал 4,27 м. Машината е оцеляла и до днес и днес може да бъде видяна в действие в музея Powerhouse в Сидни.

Двигателят Watt беше подходящ за всяка машина и изобретателите на самоходни механизми не забавиха да се възползват от това.